PCB的熱設計 摘要:熱分析、熱設計是提高印制板熱可靠性的重要措施.基于熱設計的基本知識,討論了 PCB設計中散熱方式的選擇、熱設計和熱分析的技術措施. 關鍵詞:印制板;熱設計;熱分析   1、熱設計的重要性   電子設備在工作期間所消耗的電能,除了有用功外,大部分轉化成熱量散發(fā).電子設備產生的熱量,使內部溫度迅速上升,如果不及時將該熱量散發(fā),設備會繼續(xù)升溫,器件就會因過熱失效,電子設備的可靠性將下降.   SMT使電子設備的安裝密度增大,有效散熱面積減小,設備溫升嚴重地影響可靠性,因此,對熱設計的研究顯得十分重要.   2、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)短時溫升或長時間溫升. 在分析PCB熱功耗時,一般從以下幾個方面來分析.   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印制板的結構   (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溫度;   2.5熱傳導   (1)安裝散熱器;   (2)其他安裝結構件的傳導.   2.6熱對流   (1)自然對流;   (2)強迫冷卻對流.   從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑,往往在一個產品和系統(tǒng)中這些因素是互相關聯(lián)和依賴的,大多數(shù)因素應根據(jù)實際情況來分析,只有針對某一具體實際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數(shù).   3、熱設計原則   3.1選材   (1)印制板的導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計時應考慮到這些因素,熱點溫度應不超過125 ℃.盡可能選擇更厚一點的覆銅箔.   (2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材.   (3)采用多層板結構有助于PCB熱設計.   3.2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建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出PCB.   (2)散熱通孔的設置   設計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器件的焊盤上設立導通孔.在電路生產過程中焊錫將其填充,使導熱能力提高,電路工作時產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置的銅泊散發(fā)掉.在一些特定情況下,專門設計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)導熱材料的使用   為了減少熱傳導過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導熱材料,提高熱傳導效率.   (4)工藝方法   對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小銅料,再流焊后在器件下方焊點就有一定的高度.使器件與印制板間的間隙增加,增加了對流散熱.   3.3元器件的排布要求   (1)對PCB進行軟件熱分析,對內部最高溫升進行設計控制;   (2)可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設計安裝在一個印制板上;   (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量流經熱耗集中區(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)元器件布局應考慮到對周圍零件熱輻射的影響.對熱敏感的部件、元器件(含半導體器件)應遠離熱源或將其隔離;   (7)(液態(tài)介質)電容器的最好遠離熱源;   (8)注意使強迫通風與自然通風方向一致;   (9)附加子板、器件風道與通風方向一致;   (10)盡可能地使進氣與排氣有足夠的距離;   (11)發(fā)熱器件應盡可能地置于產品的上方,條件允許時應處于氣流通道上;   (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,只要有可能應安裝于散熱器上,并遠離其他器件,并保證散熱通道通暢;   (13)(小信號放大器外圍器件)盡量采用溫漂小的器件;   (14)盡可能地利用金屬機箱或底盤散熱.   3.4布線時的要求   (1)板材選擇(合理設計印制板結構);   (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.為此應加大熱傳導面積;接觸平面應平整、光滑,必要時可涂 覆導熱硅脂;   (6)熱應力點考慮應力平衡措施并加粗線條;   (7)散熱銅皮需采用消熱應力的開窗法,利用散熱阻焊適當開窗;   (8)視可能采用表面大面積銅箔;   (9)對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)器件散熱補充手段;   (12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經濟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溫來計算合適的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax). 4、熱仿真(熱分析) 熱分析可協(xié)助設計人員確定PCB上部件的電氣性能,幫助設計人員確定元器件或PCB是否會因為高溫而燒壞.簡單的熱分析只是計算PCB的平均溫度,復雜的則要對含多個PCB和上千個元器件的電子設備建立瞬態(tài)模型.   無論分析人員在對電子設備、PCB以及電子元件建立熱模型時多么小心翼翼,熱分析的準確程度最終還要取決于PCB設計人員所提供的元件功耗的準確性.在許多應用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的實際功耗很小,可能會導致設計的安全系數(shù)過高,從而使PCB的設計采用與實際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進行熱分析,與之相反(同時也更為嚴重)的是熱安全系數(shù)設計過低,也即元件實際運行時的溫度比分析人員預測的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風扇對PCB進行冷卻來解決.這些外接附件增加了成本,而且延長了制造時間,在設計中加入風扇還會給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素,因此PCB現(xiàn)在主要采用主動式而不是被動式冷卻方式(如自然對流、傳導及輻射散熱),以使元件在較低的溫度范圍內工作.   熱設計不良最終將使得成本上升而且還會降低可靠性,這在所有PCB設計中都可能發(fā)生,花費一些功夫準確確定元件功耗,再進行PCB熱分析,這樣有助于生產出小巧且功能性強的產品.應使用準確的熱模型和元件功耗,以免降低PCB設計效率.   4.1元件功耗計算   準確確定PCB元件的功耗是一個不斷重復迭代的過程,PCB設計人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率,熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中.設計人員先猜測一個元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計值,并將元件功耗輸入到細化的熱模型中,計算出PCB和相關元件“結點”(或熱點)的溫度,第二步使用新溫度重新計算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入.在理想的情況下,該過程一直進行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?   然而PCB設計人員通常面臨需要快速完成任務的壓力,他們沒有足夠的時間進行耗時重復的元器件電氣及熱性能確定工作.一個簡化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量.熱分析可預測出平均環(huán)境溫度,使設計人員用于計算元器件的功耗,通過進一步重復計算元件溫度知道是否還需要作其他工作.   一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格,包括正常工作的最高溫度.元件性能通常會受環(huán)境溫度或元件內部溫度的影響,消費類電子產品常采用塑封元件,其工作最高溫度是85 ℃;而軍用產品常使用陶瓷件,工作最高溫度為125 ℃,額定最高溫度通常是105 ℃.PCB設計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗.   計算元件溫度最準確的方法是作瞬態(tài)熱分析,但是確定元件的瞬時功耗十分困難.   一個比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進行額定和最差狀況分析. PCB受到各種類型熱量的影響,可以應用的典型熱邊界條件包括:   前后表面發(fā)出的自然或強制對流;   前后表面發(fā)出的熱輻射;   從PCB邊緣到設備外殼的傳導;   通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導;   從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導; 2個PCB夾層之間散熱器的傳導.   目前有很多種形式的熱模擬工具,基本熱模型及分析工具包括分析任意結構的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計算流體動力學(CFD)工具,以及用于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具.   4.2基本過程   在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標的前提下,依據(jù)提供的成熟經驗,加速PCB熱設計.   在系統(tǒng)及熱分析預估及器件級熱設計的基礎上,通過板級熱仿真預估熱設計結果,尋找設計缺陷,并提供系統(tǒng)級解決方案或變更器件級解決方案.   通過熱性能測量對熱設計的效果進行檢驗,對方案的適用性和有效性進行評價;   通過預估-設計-測量-反饋循環(huán)不斷的實踐流程,修正并積累熱仿真模型,加快熱仿真速度,提高熱仿真精度;補充PCB熱設計經驗.   4.3板級熱仿真   板級熱仿真軟件可以在三維結構模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運動矢量,也可以模擬強迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等.目前可做板級熱分析比較典型的軟件有Flotherm,Betasoft等等.