一、印制電路闆溫升因素分析
引起(qǐ)印制闆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)熱強度随功耗的大小變化。
印制闆中溫升的2種(zhǒng)現象:
(1)局部溫升或大面(miàn)積溫升;
(2)短時(shí)溫升或長(cháng)時(shí)間溫升。
在分析PCB熱功耗時(shí),一般從以下幾個方面(miàn)來分析。
1.電氣功耗
(1)分析單位面(miàn)積上的功耗;
(2)分析PCB電路闆上功耗的分布。
2.印制闆的結構
(1)印制闆的尺寸;
(2)印制闆的材料。
3.印制闆的安裝方式
(1)安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);
(2)密封情況和離機殼的距離。
4.熱輻射
(1)印制闆表面(miàn)的輻射系數;
(2)印制闆與相鄰表面(miàn)之間的溫差和他們的絕對(duì)溫度;
5.熱傳導
(1)安裝散熱器;
(2)其他安裝結構件的傳導。
6.熱對(duì)流
(1)自然對(duì)流;
(2)強迫冷卻對(duì)流。
從PCB上述各因素的分析是解決印制闆的溫升的有效途徑,往往在一個産品和系統中這(zhè)些因素是互相關聯和依賴的,大多數因素應根據實際情況來分析,隻有針對(duì)某一具體實際情況才能(néng)比較正确地計算或估算出溫升和功耗等參數。
二、電路闆散熱方式
1、高發(fā)熱器件加散熱器、導熱闆
當PCB中有少數器件發(fā)熱量較大時(shí)(少于3個)時(shí),可在發(fā)熱器件上加散熱器或導熱管,當溫度還(hái)不能(néng)降下來時(shí),可采用帶風扇的散熱器,以增強散熱效果。當發(fā)熱器件量較多時(shí)(多于3個),可采用大的散熱罩(闆),它是按PCB闆上發(fā)熱器件的位置和高低而定制的專用散熱器或是在一個大的平闆散熱器上摳出不同的元件高低位置。將(jiāng)散熱罩整體扣在元件面(miàn)上,與每個元件接觸而散熱。但由于元器件裝焊時(shí)高低一緻性差,散熱效果并不好(hǎo)。通常在元器件面(miàn)上加柔軟的熱相變導熱墊來改善散熱效果。
2、通過(guò)PCB闆本身散熱
目前廣泛應用的PCB闆材是覆銅/環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材,還(hái)有少量使用的紙基覆銅闆材。這(zhè)些基材雖然具有優良的電氣性能(néng)和加工性能(néng),但散熱性差,作爲高發(fā)熱元件的散熱途徑,幾乎不能(néng)指望由PCB本身樹脂傳導熱量,而是從元件的表面(miàn)向(xiàng)周圍空氣中散熱。但随著(zhe)電子産品已進(jìn)入到部件小型化、高密度安裝、高發(fā)熱化組裝時(shí)代,若隻靠表面(miàn)積十分小的元件表面(miàn)來散熱是非常不夠的。同時(shí)由于QFP、BGA等表面(miàn)安裝元件的大量使用,元器件産生的熱量大量地傳給PCB闆,因此,解決散熱的最好(hǎo)方法是提高與發(fā)熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能(néng)力,通過(guò)PCB闆傳導出去或散發(fā)出去。
3、采用合理的走線設計實現散熱
由于闆材中的樹脂導熱性差,而銅箔線路和孔是熱的良導體,因此提高銅箔剩餘率和增加導熱孔是散熱的主要手段。
評價PCB的散熱能(néng)力,就(jiù)需要對(duì)由導熱系數不同的各種(zhǒng)材料構成(chéng)的複合材料一一PCB用絕緣基闆的等效導熱系數(九eq)進(jìn)行計算。
4.、對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設備,最好(hǎo)是將(jiāng)集成(chéng)電路(或其他器件)按縱長(cháng)方式排列,或按橫長(cháng)方式排列。
5.、同一塊印制闆上的器件應盡可能(néng)按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信号晶
體管、小規模集成(chéng)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(hǎo)的器件(如功率晶體管、大規模集成(chéng)電路等)放在冷卻氣流最下遊。
6.、在水平方向(xiàng)上,大功率器件盡量靠近印制闆邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向(xiàng)上,大功率器件盡量靠近印制闆上方布置,以便減少這(zhè)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(hǎo)安置在溫度最低的區域(如設備的底部),千萬不要將(jiāng)它放在發(fā)熱器件的正上方,多
個器件最好(hǎo)是在水平面(miàn)上交錯布局。
8、設備内印制闆的散熱主要依靠空氣流動,所以在設計時(shí)要研究空氣流動路徑,合理配置器件或印制電路闆。空氣
流動時(shí)總是趨向(xiàng)于阻力小的地方流動,所以在印制電路闆上配置器件時(shí),要避免在某個區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路闆的配置也應注意同樣(yàng)的問題。
9.、避免PCB上熱點的集中,盡可能(néng)地將(jiāng)功率均勻地分布在PCB闆上,保持PCB表面(miàn)溫度性能(néng)的均勻和一緻。往往設計過(guò)程中要達到嚴格的均勻分布是較爲困難的,但一定要避免功率密度太高的區域,以免出現過(guò)熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話,進(jìn)行印制電路的熱效能(néng)分析是很有必要的,如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能(néng)指标分析軟件模塊,就(jiù)可以幫助設計人員優化電路設計。
10、將(jiāng)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(jiāng)發(fā)熱較高的器件放置在印制闆的角落和四周邊緣,除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時(shí)盡可能(néng)選擇大一些的器件,且在調整印制闆布局時(shí)使之有足夠的散熱空間。
11、高熱耗散器件在與基闆連接時(shí)應盡能(néng)減少它們之間的熱阻。爲了更好(hǎo)地滿足熱特性要求,在芯片底面(miàn)可使用一些熱導材料(如塗抹一層導熱矽膠),并保持一定的接觸區域供器件散熱。
12、器件與基闆的連接:
(1) 盡量縮短器件引線長(cháng)度;
(2)選擇高功耗器件時(shí),應考慮引線材料的導熱性,如果可能(néng)的話,盡量選擇引線橫段面(miàn)最大;
(3)選擇管腳數較多的器件。
13、器件的封裝選取:
(1)在考慮熱設計時(shí)應注意器件的封裝說明和它的熱傳導率;
(2)應考慮在基闆與器件封裝之間提供一個良好(hǎo)的熱傳導路徑;
(3)在熱傳導路徑上應避免有空氣隔斷,如果有這(zhè)種(zhǒng)情況可采用導熱材料進(jìn)行填充。