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PCB的熱設(shè)計(jì)摘要:熱分析、熱設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施.基于熱設(shè)計(jì)的基本知識(shí),討論了PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施.關(guān)鍵詞:印制板;熱設(shè)計(jì);熱分析 1、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,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(guò)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. 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(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(lái)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(lái)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). 3、熱設(shè)計(jì)原則 3.1選材 (1)印制板的導(dǎo)線由于通過(guò)電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過(guò)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(guò)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). 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(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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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. 3.4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(guò)孔,且孔徑、盤面盡量大,依靠過(guò)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(lái)計(jì)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(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能,幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎?簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度,復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型. 無(wú)論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼,熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性.在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的實(shí)際功耗很小,可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過(guò)高,從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過(guò)于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析,與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)低,也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)的要高,此類問(wèn)題一般要通過(guò)加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行冷卻來(lái)解決.這些外接附件增加了成本,而且延長(zhǎng)了制造時(shí)間,在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來(lái)一層不穩(wěn)定因素,因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱),以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作. 熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性,這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生,花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗,再進(jìn)行PCB熱分析,這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品.應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗,以免降低PCB設(shè)計(jì)效率. 4.1元件功耗計(jì)算 準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過(guò)程,PCB設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員先猜測(cè)一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值,并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中,計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過(guò)程的輸入.在理想的情況下,該過(guò)程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹? 然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力,他們沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作.一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量.熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度,使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗,通過(guò)進(jìn)一步重復(fù)計(jì)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(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響,消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件,其工作最高溫度是85℃;而軍用產(chǎn)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(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗. 計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析,但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難. 一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)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(yīng)用的典型熱邊界條件包括: 前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流; 前后表面發(fā)出的熱輻射; 從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo); 通過(guò)剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo); 從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo);2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo). 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(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具,以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具. 4.2基本過(guò)程 在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下,依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn),加速PCB熱設(shè)計(jì). 在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)板級(jí)熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果,尋找設(shè)計(jì)缺陷,并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案. 通過(guò)熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià); 通過(guò)預(yù)估-設(shè)計(jì)-測(cè)量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)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(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn). 4.3板級(jí)熱仿真 板級(jí)熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等.目前可做板級(jí)熱分析比較典型的軟件有Flotherm,Betasoft等等.專業(yè)生產(chǎn)軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊(導(dǎo)熱硅膠片)隨著電子設(shè)備不斷將更強(qiáng)大的功能集成到更小組件中,溫度控制已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的挑戰(zhàn)之一,即在架構(gòu)緊縮,操作空間越來(lái)越小的情況下,如何有效地帶走更大單位功率所產(chǎn)生的更多熱量.該產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)是2.55W/mK,抗電壓擊穿值在4000伏以上,本身具有一定的柔韌性,很好的貼合功率器件與散熱鋁片或機(jī)器外殼間的從而達(dá)到最好的導(dǎo)熱及散熱目的,符合目前電子行業(yè)對(duì)導(dǎo)熱材料的要求.軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊是傳熱界面材料中的一種,具有良好的導(dǎo)熱能力和高等級(jí)的耐壓,其作用就是填充處理器與散熱器之間大要求,是替代導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱膏加云母片的二元散熱系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品.該類產(chǎn)品可任意裁切,利于滿足自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護(hù).硅膠導(dǎo)熱絕緣墊的工藝厚度從0.5mm~5mm不等,每0.5mm一加,即0.5mm1mm1.5mm2mm一直到5mm,特殊要求可增至13mm,專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn),能夠填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位的熱傳遞,同時(shí)還起到減震絕緣密封等作用,能夠滿足社設(shè)備小型化超薄化的設(shè)計(jì)要求,是極具工藝性和使用性的新材料.且厚度適用范圍廣,特別適用于汽車、顯示器、計(jì)算機(jī)和電源等電子設(shè)備行業(yè). 阻燃防火性能符合U.L94V-0要求,并符合歐盟SGS環(huán)保認(rèn)證 工作溫度一般在-50℃~220℃ 歡迎來(lái)電咨詢,我們會(huì)為你寄上資料和樣品聯(lián)系人:張收成聯(lián)系電話:13621325228QQ:774783199電子郵件:zhangshouchenga@126.com歡迎您來(lái)索取樣品,我們免費(fèi)送樣品給貴公司檢測(cè).電源散熱技術(shù)專業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)熱硅膠片廠家解決電源散熱最佳的導(dǎo)熱材料有導(dǎo)熱、絕緣、防震、散熱作用 片狀材料 任意裁剪厚度從0.5mm-13mm均有.聯(lián)系的話:13621325228張收成先生 散熱技術(shù)交流QQ:774783199[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/82/3632971256945953.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/82/3632971256945962.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/82/3632971256945967.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/82/3632971256945971.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/82/3632971256945976.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">