如何做好PCB電路板散熱處理？記住這些重要技巧

中信華

    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(guò)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。

/ s1 o& a2 g4 _    印制電路板溫升因素分析
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    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。
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    印制板中溫升的2種現(xiàn)象：

; z2 t; @5 c( d6 G( D- b% c    (1)局部溫升或大面積溫升;
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    (2)短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。

$ N9 w- P) v- M- _    在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。
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  V& y2 G3 A5 H+ {( U: H3 [1 \/ a    1.電氣功耗
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    (1)分析單位面積上的功耗;
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- L7 t! c' B  `9 P. \& l- S# ?    (2)分析PCB電路板上功耗的分布。

    2.印制板的結(jié)構(gòu)
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    (1)印制板的尺寸;
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    (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);
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    (2)密封情況和離機(jī)殼的距離。

& B4 |3 d  ^8 Y+ x; u    4.熱輻射

) h5 ?$ ^, K# b    (1)印制板表面的輻射系數(shù);
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( M( ], U. Y3 N& A$ e    (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)
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9 H8 ?4 Q! Z* W8 Q# f# _6 \7 o( E% D    (1)安裝散熱器;

$ g$ Q0 _# `# r    (2)其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。

: p2 a  z, ^. y0 ~& G    6.熱對(duì)流
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( A9 v0 ]5 C! N8 y8 {0 M9 c    (1)自然對(duì)流;

- [, ?- v( l1 m1 X' {    (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(lài)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)。
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    電路板散熱方式

    1.高發(fā)熱器件加散熱器、導(dǎo)熱板
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    當(dāng)PCB中有少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(shí)(少于3個(gè))，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)�熱管，�?dāng)溫度還不能降下來(lái)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(zhuān)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(lái)改善散熱效果。

    2.通過(guò)PCB板本身散熱

0 O* X: [) H( h! ~1 Y* ]- v+ a    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(shù)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(shù)脂傳導(dǎo)熱量，而是從元件的表面向周?chē)�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(lái)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(guò)PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。

  f9 I. m& k2 K7 P7 s: Z; x    3.采用合理的走線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)散熱

' N6 j* c9 R9 c3 L    由于板材中的樹(shù)脂導(dǎo)熱性差，而銅箔線(xiàn)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。
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    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。
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    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。

8 _$ t* f. R: d; c8 d% J2 ?" D    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。
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    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(wàn)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。
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( k4 ]+ o. u, d$ i3 f    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(wèn)題。
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    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(guò)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(guò)熱點(diǎn)影響整個(gè)電路的正常工作。如果有條件的話(huà)，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(zhuān)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)。

1 c0 m, _, A( ~2 A( J    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。

, C8 D& @  \: k/ D; o+ `5 W1 r- M    11.高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡可能減少它們之間的熱阻。為了更好地滿(mǎn)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(xiàn)長(zhǎng)度;

& u# L& W0 j  {7 s8 V    (2)選擇高功耗器件時(shí)，應(yīng)考慮引線(xiàn)材料的導(dǎo)熱性，盡量選擇引線(xiàn)橫段面最大的;
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    (3)選擇管腳數(shù)較多的器件。
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    13.器件的封裝選取：

    (1)在考慮熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意器件的封裝說(shuō)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;

5 k8 ]+ q, c9 T% _. {6 L    (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。
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