PCB電路板散熱設(shè)計(jì)技巧

一、熱設(shè)計(jì)的重要性

電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，比如射頻功放，FPGA芯片，電源類產(chǎn)品，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對(duì)熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。

對(duì)于PCB電路板的散熱是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，那么PCB電路板散熱技巧是怎樣的，下面我們一起來討論下。

對(duì)于電子設(shè)備來說，工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，從而使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)出去，設(shè)備就會(huì)持續(xù)的升溫，器件就會(huì)因過熱而失效，電子設(shè)備的可靠性能就會(huì)下降。因此，對(duì)電路板進(jìn)行很好的散熱處理是非常重要的。

二、印制電路板溫升因素分析

引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。

印制板中溫升的 2 種現(xiàn)象：

（1） 局部溫升或大面積溫升；

（2） 短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。在分析 PCB 熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來分析。

2.1 電氣功耗

（1）分析單位面積上的功耗；

（2）分析 PCB 板上功耗的分布。

2.2 印制板的結(jié)構(gòu)

（1）印制板的尺寸；

（2）印制板的材料。

2.3 印制板的安裝方式

（1）安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）；

（2）密封情況和離機(jī)殼的距離。

2.4 熱輻射

（1）印制板表面的輻射系數(shù)；

（2）印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對(duì)溫度

2.5 熱傳導(dǎo)

（1）安裝散熱器；

（2）其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。

2.6 熱對(duì)流

（1）自然對(duì)流；

（2）強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。

從 PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑，往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴的，大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析，只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。

三，PCB熱設(shè)計(jì)的一些方法

1 通過PCB板本身散熱

目前廣泛應(yīng)用的PCB板材是覆銅／環(huán)氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，還有少量使用的紙基覆銅板材。這些基材雖然具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發(fā)熱元件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹脂傳導(dǎo)熱量，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產(chǎn)品已進(jìn)入到部件小型化、高密度安裝、高發(fā)熱化組裝時(shí)代，若只靠表面積十分小的元件表面來散熱是非常不夠的。同時(shí)由于QFP、BGA等表面安裝元件的大量使用，元器件產(chǎn)生的熱量大量地傳給PCB板，因此，解決散熱的最好方法是提高與發(fā)熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。

2 高發(fā)熱器件加散熱器、導(dǎo)熱板

當(dāng)PCB中有少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(shí)(少于3個(gè))時(shí)，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁?，?dāng)溫度還不能降下來時(shí)，可采用帶風(fēng)扇的散熱器，以增強(qiáng)散熱效果。當(dāng)發(fā)熱器件量較多時(shí)(多于3個(gè))，可采用大的散熱罩(板)，它是按PCB板上發(fā)熱器件的位置和高低而定制的專用散熱器或是在一個(gè)大的平板散熱器上摳出不同的元件高低位置。將散熱罩整體扣在元件面上，與每個(gè)元件接觸而散熱。但由于元器件裝焊時(shí)高低一致性差，散熱效果并不好。通常在元器件面上加柔軟的熱相變導(dǎo)熱墊來改善散熱效果。

3對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（或其他器件）按縱長(zhǎng)方式排列，或按橫長(zhǎng)方式排列。

4 采用合理的走線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)散熱

由于板材中的樹脂導(dǎo)熱性差，而銅箔線路和孔是熱的良導(dǎo)體，因此提高銅箔剩余率和增加導(dǎo)熱孔是散熱的主要手段。

評(píng)價(jià)PCB的散熱能力，就需要對(duì)由導(dǎo)熱系數(shù)不同的各種材料構(gòu)成的復(fù)合材料一一PCB用絕緣基板的等效導(dǎo)熱系數(shù)(九eq)進(jìn)行計(jì)算。

5同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件（如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等）放在冷卻氣流的最上流（入口處），發(fā)熱量大或 耐熱性好的器件（如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等）放在冷卻氣流最下游。

6在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其他器件溫度的影響。

7設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。

8對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。

9將功耗最高和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設(shè)計(jì)功率電阻時(shí)盡可能選擇大一些的器件，且在調(diào)整印制板布局時(shí)使之有足夠的散熱空間。

10 射頻功放或者LED PCB采用金屬底座基板。

11避免PCB上熱點(diǎn)的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設(shè)計(jì)過程中要達(dá)到嚴(yán)格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區(qū)域，以免出現(xiàn)過熱點(diǎn)影響整個(gè)電路的正常工作。如果有條件的話，進(jìn)行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現(xiàn)在一些專業(yè)PCB設(shè)計(jì)軟件中增加的熱效能指標(biāo)分析軟件模塊，就可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

四、總結(jié)

4.1 選材

（1）印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過 125 ℃（常用的典型值。根據(jù)選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔。

( 2 )特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。

（3） 采用多層板結(jié)構(gòu)有助于 PCB 熱設(shè)計(jì)。

4.2保證散熱通道暢通

（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導(dǎo)出 PCB。

（2）散熱通孔的設(shè)置 設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充，使導(dǎo)熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅泊散發(fā)掉。在一些特定情況下，專門設(shè)計(jì)和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板。

（3）導(dǎo)熱材料的使用 為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料，提高熱傳導(dǎo)效率。

（4）工藝方法 對(duì)一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫，為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器件與印制板間的間隙增加，增加了對(duì)流散熱。

3.3元器件的排布要求

（1）對(duì) PCB進(jìn)行軟件熱分析，對(duì)內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制；

（2）可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)印制板上；

（3）板面熱容量均勻分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如無法避免，則要把矮的元件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū)；

（4）使傳熱通路盡可能的短；

（5）使傳熱橫截面盡可能的大；

（6）元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響。對(duì)熱敏感的部件、元器件（含半導(dǎo)體器件）應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x；

（7）（液態(tài)介質(zhì)）電容器的最好遠(yuǎn)離熱源；

（8）注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致；

（9）附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；

（10）盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離；

（11）發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上；

（12）熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣，只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上，并遠(yuǎn)離其他器件，并保證散熱通道通暢；

（13）（小信號(hào)放大器外圍器件）盡量采用溫漂小的器件；

（14）盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。

4.4布線時(shí)的要求

（1）板材選擇（合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu)）；

（2）布線規(guī)則；

（3）根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度；特別注意接合點(diǎn)處通道布線；

（4）大電流線條盡量表面化；在不能滿足要求的條件下，可考慮采用匯流排；

（5）要盡量降低接觸面的熱阻。為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積；接觸平面應(yīng)平整光滑，必要時(shí)可涂覆導(dǎo)熱硅脂；

（6）熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條；

（7）散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散熱阻焊適當(dāng)開窗；

（8）視可能采用表面大面積銅箔；

（9）對(duì)印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱；

（10）盡可能多安放金屬化過孔, 且孔徑、盤面盡量大，依靠過孔幫助散熱；

（11）器件散熱補(bǔ)充手段；

（12）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法；

（13）根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積（保證原則tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

審核編輯：郭婷