PCB的热设计

摘要:热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施.基于热设计的基本知识,讨论了
PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施.
关键词:印制板;热设计;热分析  

1、热设计的重要性
  电子设备在工作期间所消耗的电能,除了有用功外,大部分转化成热量散发.电子设备产生的热量,使内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降.
  SMT使电子设备的安装密度增大,有效散热面积减小,设备温升严重地影响可靠性,因此,对热设计的研究显得十分重要.  

2、印制电路板温升因素分析
  引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化.
  印制板中温升的2种现象:
  (1)局部温升或大面积温升;
  (2)短时温升或长时间温升.
在分析PCB热功耗时,一般从以下几个方面来分析.  
2.1电气功耗
  (1)分析单位面积上的功耗;
  (2)分析PCB板上功耗的分布.  
2.2印制板的结构
  (1)印制板的尺寸;
  (2)印制板的材料.  
2.3印制板的安装方式
  (1)安装方式(如垂直安装,水平安装);
  (2)密封情况和离机壳的距离.  
2.4热辐射
  (1)印制板表面的辐射系数;
  (2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度;  
2.5热传导
  (1)安装散热器;
  (2)其他安装结构件的传导.  
2.6热对流
  (1)自然对流;
  (2)强迫冷却对流.
  从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径,往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析,只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数.  

3、热设计原则  
3.1选材
  (1)印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125 ℃(常用的典型值.根据选用的板材可能不同).由于元件安装在印制板上也发出一部分热量,影响工作温度,选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素,热点温度应不超过125 ℃.尽可能选择更厚一点的覆铜箔.
  (2)特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材.
  (3)采用多层板结构有助于PCB热设计.  
3.2保证散热通道畅通
  (1)充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道,保证热量顺利导出PCB.
  (2)散热通孔的设置  
设计一些散热通孔和盲孔,可以有效地提高散热面积和减少热阻,提高电路板的功率密度.如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔.在电路生产过程中焊锡将其填充,使导热能力提高,电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜泊散发掉.在一些特定情况下,专门设计和采用了有散热层的电路板,散热材料一般为铜/钼等材料,如一些模块电源上采用的印制板.
  (3)导热材料的使用  
为了减少热传导过程的热阻,在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料,提高热传导效率.
  (4)工艺方法  
对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温,为了改善散热条件,可以在焊膏中掺入少量的细小铜料,再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度.使器件与印制板间的间隙增加,增加了对流散热.  
3.3元器件的排布要求
  (1)对PCB进行软件热分析,对内部最高温升进行设计控制;
  (2)可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上;
  (3)板面热容量均匀分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如无法避免,则要把矮的元件放在气流的上游,并保证足够的冷却风量流经热耗集中区;
  (4)使传热通路尽可能的短;
  (5)使传热横截面尽可能的大;
  (6)元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响.对热敏感的部件、元器件(含半导体器件)应远离热源或将其隔离;
  (7)(液态介质)电容器的最好远离热源;
  (8)注意使强迫通风与自然通风方向一致;
  (9)附加子板、器件风道与通风方向一致;
  (10)尽可能地使进气与排气有足够的距离;
  (11)发热器件应尽可能地置于产品的上方,条件允许时应处于气流通道上;
  (12)热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘,只要有可能应安装于散热器上,并远离其他器件,并保证散热通道通畅;
  (13)(小信号放大器外围器件)尽量采用温漂小的器件;
  (14)尽可能地利用金属机箱或底盘散热.  
3.4布线时的要求
  (1)板材选择(合理设计印制板结构);
  (2)布线规则;
  (3)根据器件电流密度规划最小通道宽度;特别注意接合点处通道布线;
  (4)大电流线条尽量表面化;在不能满足要求的条件下,可考虑采用汇流排;
  (5)要尽量降低接触面的热阻.为此应加大热传导面积;接触平面应平整、光滑,必要时可涂
覆导热硅脂;
  (6)热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条;
  (7)散热铜皮需采用消热应力的开窗法,利用散热阻焊适当开窗;
  (8)视可能采用表面大面积铜箔;
  (9)对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热;
  (10)尽可能多安放金属化过孔, 且孔径、盘面尽量大,依靠过孔帮助散热;
  (11)器件散热补充手段;
  (12)采用表面大面积铜箔可保证的情况下,出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法;
  (13)根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积(保证原则tj≤(0.5~0.8)tjmax).

4、热仿真(热分析)
热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能,帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏.简单的热分析只是计算PCB的平均温度,复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型.
  无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼,热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性.在许多应用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的实际功耗很小,可能会导致设计的安全系数过高,从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析,与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低,也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高,此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决.这些外接附件增加了成本,而且延长了制造时间,在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素,因此PCB现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热),以使元件在较低的温度范围内工作.  
热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性,这在所有PCB设计中都可能发生,花费一些功夫准确确定元件功耗,再进行PCB热分析,这样有助于生产出小巧且功能性强的产品.应使用准确的热模型和元件功耗,以免降低PCB设计效率.  
4.1元件功耗计算
  准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程,PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损耗功率,热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中.设计人员先猜测一个元件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值,并将元件功耗输入到细化的热模型中,计算出PCB和相关元件“结点”(或热点)的温度,第二步使用新温度重新计算元件功耗,算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入.在理想的情况下,该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止.
  然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力,他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件电气及热性能确定工作.一个简化的方法是估算PCB的总功耗,将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量.热分析可预测出平均环境温度,使设计人员用于计算元器件的功耗,通过进一步重复计算元件温度知道是否还需要作其他工作.
  一般电子元器件制造商都提供有元器件规格,包括正常工作的最高温度.元件性能通常会受环境温度或元件内部温度的影响,消费类电子产品常采用塑封元件,其工作最高温度是85 ℃;而军用产品常使用陶瓷件,工作最高温度为125 ℃,额定最高温度通常是105 ℃.PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗.
  计算元件温度最准确的方法是作瞬态热分析,但是确定元件的瞬时功耗十分困难.
  一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析.
PCB受到各种类型热量的影响,可以应用的典型热边界条件包括:
  前后表面发出的自然或强制对流;
  前后表面发出的热辐射;
  从PCB边缘到设备外壳的传导;
  通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导;
  从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导;
2个PCB夹层之间散热器的传导.
  目前有很多种形式的热模拟工具,基本热模型及分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具,以及用于详细PCB和元件建模的PCB应用工具.  
4.2基本过程
  在不影响并有助于提高系统电性能指标的前提下,依据提供的成熟经验,加速PCB热设计.
  在系统及热分析预估及器件级热设计的基础上,通过板级热仿真预估热设计结果,寻找设计缺陷,并提供系统级解决方案或变更器件级解决方案.
  通过热性能测量对热设计的效果进行检验,对方案的适用性和有效性进行评价;
  通过预估-设计-测量-反馈循环不断的实践流程,修正并积累热仿真模型,加快热仿真速度,提高热仿真精度;补充PCB热设计经验.  
4.3板级热仿真
  板级热仿真软件可以在三维结构模型中模拟PCB的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,也可以模拟强迫散热、真空状态或自然散热等.目前可做板级热分析比较典型的软件有Flotherm,Betasoft等等.

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