多爾威教您如何幫助PCB電路板散熱

一、PCB溫升因素分析

引起PCB溫升的直接原(yuan)因是由(you)于電路功耗(hao)器(qi)件(jian)的存在(zai)，電子(zi)器(qi)件(jian)均(jun)不同程度(du)地存在(zai)功耗(hao)，發熱強度(du)隨(sui)功耗(hao)的大小(xiao)變化。

PCB中溫升(sheng)的2種現象：

(1)局部溫升或大(da)面(mian)積溫升;

(2)短時溫升或(huo)長時間溫升。

在分析熱功(gong)耗時，一般(ban)從以下幾(ji)個方面來分析(xi)。

1.電氣功(gong)耗(hao)

(1)分析單位面(mian)積上的功耗;

(2)分(fen)析PCB電路板(ban)上功耗(hao)的分(fen)布。

2.PCB的結構

(1)PCB的尺寸;

(2)PCB的材料。

3.PCB的安裝方式

(1)安(an)裝方式(如(ru)垂直安(an)裝，水平安(an)裝);

(2)密封情況和離(li)機殼的距離(li)。

4.熱輻射

(1)PCB表面的輻射系數;

(2)PCB與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度;

5.熱傳導

(1)安(an)裝(zhuang)散熱(re)器;

(2)其他安裝結構(gou)件的傳導(dao)。

6.熱(re)對流

(1)自然對流;

(2)強(qiang)迫冷(leng)卻對(dui)流。

從(cong)PCB上述各因素(su)(su)的分(fen)析是解(jie)決印制板的溫升的有(you)效(xiao)途(tu)徑，往往在一(yi)個產(chan)品和(he)(he)(he)系統中這(zhe)些(xie)因素(su)(su)是互(hu)相關聯和(he)(he)(he)依賴的，大多(duo)數因素(su)(su)應根據(ju)實(shi)際情況(kuang)來(lai)分(fen)析，只有(you)針對某一(yi)具(ju)體實(shi)際情況(kuang)才能(neng)比較正確地計算(suan)(suan)或估算(suan)(suan)出(chu)溫升和(he)(he)(he)功耗等參(can)數。

二、PCB電路板散熱方式

1. 高發熱器件加散(san)熱器、導(dao)熱板

當(dang)(dang)PCB中有少數(shu)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)發(fa)(fa)熱(re)(re)(re)(re)量較大時(shi)(shi)(少于3個(ge))時(shi)(shi)，可(ke)在(zai)發(fa)(fa)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)上(shang)加散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)或導(dao)熱(re)(re)(re)(re)管，當(dang)(dang)溫度(du)還不(bu)能降下來時(shi)(shi)，可(ke)采用帶(dai)風扇的(de)(de)散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)，以增強散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)效(xiao)果。當(dang)(dang)發(fa)(fa)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)量較多時(shi)(shi)(多于3個(ge))，可(ke)采用大的(de)(de)散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)罩(板(ban)(ban))，它是按PCB板(ban)(ban)上(shang)發(fa)(fa)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)位置和(he)高低而(er)定制(zhi)的(de)(de)專用散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)或是在(zai)一個(ge)大的(de)(de)平板(ban)(ban)散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)(qi)(qi)(qi)上(shang)摳(kou)出不(bu)同(tong)的(de)(de)元件(jian)(jian)高低位置。將散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)罩整體(ti)扣在(zai)元件(jian)(jian)面上(shang)，與每個(ge)元件(jian)(jian)接觸而(er)散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)。但由于元器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)裝焊時(shi)(shi)高低一致性差，散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)效(xiao)果并(bing)不(bu)好。通常在(zai)元器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)面上(shang)加柔軟(ruan)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)相變導(dao)熱(re)(re)(re)(re)墊來改善(shan)散(san)(san)熱(re)(re)(re)(re)效(xiao)果。

2. 通過PCB板本(ben)身散熱

目(mu)前廣泛(fan)應用的(de)(de)(de)PCB板材(cai)(cai)是(shi)(shi)覆銅/環氧(yang)玻璃布(bu)基材(cai)(cai)或酚(fen)醛樹脂(zhi)玻璃布(bu)基材(cai)(cai)，還(huan)有少量(liang)使用的(de)(de)(de)紙基覆銅板材(cai)(cai)。這些基材(cai)(cai)雖然(ran)具(ju)有優良的(de)(de)(de)電氣(qi)性(xing)能(neng)和加(jia)工性(xing)能(neng)，但(dan)(dan)散熱(re)(re)(re)性(xing)差，作為高發(fa)熱(re)(re)(re)元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)散熱(re)(re)(re)途徑，幾(ji)乎不(bu)能(neng)指(zhi)望由(you)PCB本身(shen)樹脂(zhi)傳導(dao)熱(re)(re)(re)量(liang)，而是(shi)(shi)從(cong)元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)向周圍空氣(qi)中散熱(re)(re)(re)。但(dan)(dan)隨著電子產品(pin)已(yi)進入到部(bu)件(jian)小(xiao)型化(hua)、高密度(du)安裝、高發(fa)熱(re)(re)(re)化(hua)組裝時代(dai)，若(ruo)只靠表(biao)(biao)面(mian)(mian)積十分(fen)小(xiao)的(de)(de)(de)元(yuan)(yuan)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)來散熱(re)(re)(re)是(shi)(shi)非常不(bu)夠的(de)(de)(de)。同時由(you)于QFP、BGA等(deng)表(biao)(biao)面(mian)(mian)安裝元(yuan)(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)大量(liang)使用，元(yuan)(yuan)器件(jian)產生的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)量(liang)大量(liang)地傳給PCB板，因此，解決(jue)散熱(re)(re)(re)的(de)(de)(de)最好方(fang)法是(shi)(shi)提高與發(fa)熱(re)(re)(re)元(yuan)(yuan)件(jian)直接接觸的(de)(de)(de)PCB自(zi)身(shen)的(de)(de)(de)散熱(re)(re)(re)能(neng)力，通過PCB板傳導(dao)出(chu)(chu)去或散發(fa)出(chu)(chu)去。

3. 采用合理(li)的走線設計實現散熱

由于板材中的樹脂(zhi)導熱(re)性差(cha)，而銅(tong)箔(bo)(bo)線路(lu)和孔(kong)是熱(re)的良導體，因此提高銅(tong)箔(bo)(bo)剩余率(lv)和增加導熱(re)孔(kong)是散(san)熱(re)的主要(yao)手段。

評價PCB的散熱能力，就需要對由導(dao)熱系數(shu)不(bu)同的各(ge)種材料構成的復合材料一一PCB用絕緣基(ji)板(ban)的等效導(dao)熱系數(shu)(九eq)進行計算(suan)。

4. 對于(yu)采用自由對流空(kong)氣冷卻(que)的設(she)備，最好是(shi)將集成電路(或其他器件)按(an)縱長(chang)方(fang)式排列，或按(an)橫長(chang)方(fang)式排列。

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

6. 在(zai)水平方向上(shang)，大功率(lv)器(qi)件盡量靠(kao)(kao)近印(yin)制板邊沿布(bu)置，以便縮短(duan)傳(chuan)熱(re)路徑;在(zai)垂直方向上(shang)，大功率(lv)器(qi)件盡量靠(kao)(kao)近印(yin)制板上(shang)方布(bu)置，以便減少這些器(qi)件工作(zuo)時對其他器(qi)件溫度的影(ying)響。

7. 對溫(wen)度比較敏感的器件(jian)最好(hao)安置在溫(wen)度最低(di)的區域(如設(she)備的底(di)部)，千萬不要將它(ta)放在發熱器件(jian)的正上方，多個器件(jian)最好(hao)是在水平面上交錯布局。

8. 設備內PCB的散熱主要依靠空氣流動，所以在設計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板。空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動，所以在印制電路板上配置器件時，要避免在某個區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。

9. 避(bi)免(mian)(mian)PCB上熱(re)(re)(re)點的(de)集中(zhong)，盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)將(jiang)功(gong)率(lv)均勻(yun)地(di)分布在PCB板(ban)上，保(bao)持PCB表面(mian)溫度性能(neng)的(de)均勻(yun)和一(yi)致。往往設(she)計過程中(zhong)要達到嚴格(ge)的(de)均勻(yun)分布是(shi)較為困難(nan)的(de)，但一(yi)定要避(bi)免(mian)(mian)功(gong)率(lv)密度太高的(de)區域，以免(mian)(mian)出現(xian)過熱(re)(re)(re)點影響整個電(dian)路(lu)(lu)的(de)正常工(gong)作。如(ru)果有(you)(you)條件(jian)的(de)話(hua)，進行印制電(dian)路(lu)(lu)的(de)熱(re)(re)(re)效能(neng)分析是(shi)很有(you)(you)必要的(de)，如(ru)現(xian)在一(yi)些(xie)專業PCB設(she)計軟件(jian)中(zhong)增加(jia)的(de)熱(re)(re)(re)效能(neng)指標分析軟件(jian)模塊，就可(ke)以幫助設(she)計人員優化(hua)電(dian)路(lu)(lu)設(she)計。

10. 將(jiang)功耗最(zui)高(gao)和(he)發(fa)(fa)熱最(zui)大(da)的器件布置(zhi)在(zai)散熱最(zui)佳位置(zhi)附(fu)近。不要將(jiang)發(fa)(fa)熱較高(gao)的器件放置(zhi)在(zai)印(yin)制(zhi)板的角落和(he)四周邊緣(yuan)，除非在(zai)它的附(fu)近安(an)排有(you)散熱裝置(zhi)。在(zai)設(she)計功率電阻時盡可能選(xuan)擇大(da)一(yi)些的器件，且在(zai)調(diao)整印(yin)制(zhi)板布局時使(shi)之(zhi)有(you)足夠的散熱空間。

11. 高熱耗散(san)器(qi)(qi)件在與基板連接(jie)時應盡能減少它們(men)之(zhi)間的(de)熱阻。為(wei)了更好地滿足(zu)熱特性要求，在芯片底面(mian)可使用一些熱導材料(liao)(如涂抹一層導熱硅膠)，并保持(chi)一定的(de)接(jie)觸區域供(gong)器(qi)(qi)件散(san)熱。

12. 器件與基板的連接：

(1) 盡(jin)量縮短器件引線長度(du);

(2)選(xuan)擇高功耗器件時，應(ying)考慮引線(xian)材料(liao)的導(dao)熱性，如果可能的話，盡量(liang)選(xuan)擇引線(xian)橫段(duan)面最大;

(3)選擇管(guan)腳(jiao)數較多的器件(jian)。

13.器件的封裝選取(qu)：

(1)在考慮熱(re)設(she)計時應注意(yi)器件的(de)封裝說(shuo)明和它(ta)的(de)熱(re)傳(chuan)導率(lv);

(2)應考慮(lv)在基板(ban)與器件封(feng)裝之間提供一個良好(hao)的熱(re)傳導路(lu)徑;

(3)在熱傳導(dao)路徑上應避免有空氣隔(ge)斷(duan)，如果有這種(zhong)情況(kuang)可(ke)采用導(dao)熱材料進行填充。