印制電路板溫升因素分析及散熱方式

電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，若不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)持續(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。因此，對(duì)電路板進(jìn)行散熱處理十分重要。

一、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。

1.電氣功耗

（1）分析單位面積上的功耗；

（2）分析PCB電路板上功耗的分布。

2.印制板的結(jié)構(gòu)

（1）印制板的尺寸；

（2）印制板的材料。

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。

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；

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)。

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)。

二、電路板散熱方式

1、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。

2、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。

3、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。

4.、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。

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、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。

8、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。

9.、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)。

10、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。

11、高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻。為了更好地滿足熱特性要求，在芯片底面可使用一些熱導(dǎo)材料（如涂抹一層導(dǎo)熱硅膠），并保持一定的接觸區(qū)域供器件散熱。

12、器件與基板的連接：

（1） 盡量縮短器件引線長(zhǎng)度；

（2）選擇高功耗器件時(shí)，應(yīng)考慮引線材料的導(dǎo)熱性，如果可能的話，盡量選擇引線橫段面最大；

（3）選擇管腳數(shù)較多的器件。

13、器件的封裝選?。?/p>

（1）在考慮熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意器件的封裝說明和它的熱傳導(dǎo)率；

（2）應(yīng)考慮在基板與器件封裝之間提供一個(gè)良好的熱傳導(dǎo)路徑；

（3）在熱傳導(dǎo)路徑上應(yīng)避免有空氣隔斷，如果有這種情況可采用導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充。