- PCB熱設(shè)計(jì)的方法
- 減小發(fā)熱量
- 加快散熱
隨著電予產(chǎn)品的輕薄小型化、高性能化，IC器件高集成化、引發(fā)印制電路板的集成度提高，發(fā)熱量明顯加大，特別是高頻IC器件如A／D，D／A類的大量使用以及電路頻率點(diǎn)的上移，PCB的熱密度越來(lái)越大，如果散熱問(wèn)題解決不好，勢(shì)必引起電路中半導(dǎo)體器件以及其它熱敏感器件溫度的升高，導(dǎo)致電路工作點(diǎn)的漂移和性能指標(biāo)的下降，影響電路的穩(wěn)定性和可靠性；特別對(duì)于機(jī)載、星載這類特殊環(huán)境中工作的電路，。熱設(shè)計(jì)‘不合理可能會(huì)引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的失效，因此必須高度重視板級(jí)電路的熱設(shè)計(jì)。
PCB熱設(shè)計(jì)的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷臏囟群蚉CB板的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作。本文主要從減少發(fā)熱元件的發(fā)熱量及加快散熱等方面探討板級(jí)電路熱設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。
1減小發(fā)熱量
PCB中熱量的來(lái)源主要有三個(gè)方面：(1)電子元器件的發(fā)熱；(2)PcB本身的發(fā)熱；(3)
其它部分傳來(lái)的熱。在這三個(gè)熱源中，元器件的發(fā)熱量最大，是主要熱源，其次是PCB板產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設(shè)計(jì)，這不在本文討論范圍。
元器件的發(fā)熱量是由其功耗決定的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)選用功耗小的元器件，盡量減小發(fā)熱量。其次是元器件工作點(diǎn)的設(shè)定，一般應(yīng)選擇在其額定工作范圍，在此范圍內(nèi)工作時(shí)性能佳，功耗小，壽命最長(zhǎng)。功放類器件本身發(fā)熱量就大，設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免滿負(fù)荷工作。對(duì)于大功率器件應(yīng)貫徹降額設(shè)計(jì)的原則，適當(dāng)加大設(shè)計(jì)富裕度，這無(wú)論是對(duì)于加大系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和降低發(fā)熱量都有好處。
PCB板由于線路本身電阻發(fā)熱，以及交流、高頻激化生熱。PCB是由銅導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)材料組成，一般認(rèn)為絕緣介質(zhì)材料不發(fā)熱。銅導(dǎo)體圖形由于銅本身存在電阻，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)就發(fā)熱，象mA(毫安)、uA(微安)級(jí)那樣的小電流通過(guò)時(shí)，發(fā)熱問(wèn)題可忽略不計(jì)，但當(dāng)大電流(百毫安級(jí)以上)通過(guò)時(shí)就不能忽視。
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值得注意的是，當(dāng)導(dǎo)體圖形溫度上升到85℃左右時(shí)，絕緣材料自身開(kāi)始發(fā)黃(圖1)，電流繼續(xù)通過(guò)，最后銅圖形熔斷，特別是多層板內(nèi)層圖形，周圍都是傳熱性差的樹(shù)脂，散熱困難，因而溫度不可避免地上升，所以特別要注意導(dǎo)體圖形線寬的設(shè)計(jì)。實(shí)際上在進(jìn)行PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)走線線寬主要依據(jù)其發(fā)熱量和散熱環(huán)境來(lái)確定的。銅導(dǎo)體的截面積決定了導(dǎo)線電阻(數(shù)字電路中線電阻引起的信號(hào)損耗可忽略不計(jì))，銅導(dǎo)體和絕緣基材的導(dǎo)熱率影響溫升，進(jìn)而決定載流量。圖2是普通FR-4覆銅箔板銅導(dǎo)體圖形線寬及截面積與允許電流之間的關(guān)系圖。從圖中可以看出：導(dǎo)體圖形截面積一定，當(dāng)其允許電流值為2A，溫度上升值低于10℃時(shí)，對(duì)于35Um銅箔，其線寬應(yīng)設(shè)計(jì)為2mm：對(duì)于70um銅箔，其線寬應(yīng)設(shè)計(jì)為lmm。由此得出：當(dāng)導(dǎo)體的截面積、允許電流和溫度上升值一定時(shí)，可通過(guò)增加銅箔厚度或加大線寬值兩個(gè)方面來(lái)滿足走線的散熱要求。
2加快散熱
在給定條件下，當(dāng)板級(jí)電路中元器件溫度上升到超過(guò)可靠性保證溫度時(shí)，便要采取適當(dāng)?shù)纳釋?duì)策，使其溫度降低到可靠性工作范圍內(nèi)，這就是我們進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的最終目的。散熱是PCB熱設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。對(duì)于PCB來(lái)說(shuō)，其散熱無(wú)外乎三種基本類型一一導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射。輻射是利用通過(guò)空間的電磁波運(yùn)動(dòng)將熱量散發(fā)出去，其散熱量較小，通常作為輔助散熱手段。導(dǎo)熱和對(duì)流是主要散熱手段，我們常用的散熱方式一一用散熱器將熱量從熱源上傳導(dǎo)出來(lái)，利用空氣對(duì)流散發(fā)出去。
通過(guò)元器件優(yōu)化排列改善散熱
1按散熱要求進(jìn)行元件布置
交錯(cuò)分散排列。在布板設(shè)計(jì)進(jìn)行元件布局時(shí)，應(yīng)將發(fā)熱元器件與一般器件及溫度敏感器件區(qū)分開(kāi)，發(fā)熱器件周圍應(yīng)留有足夠的散熱氣體流動(dòng)通道，發(fā)熱元件應(yīng)錯(cuò)開(kāi)分散排列，如圖3所示。這與通常布局時(shí)的整齊劃一排列恰好相反，有利于改善散熱效果。[page]
當(dāng)熱性能不同的元件混合安裝時(shí)，最好將發(fā)熱量大的元件安裝在下風(fēng)處，放熱小的元件安裝在上風(fēng)處。圖4顯示元件的常規(guī)排列，圖4(b)是將發(fā)熱大的元件安裝在上風(fēng)處，發(fā)熱小的元件(C、IC等)安裝在下風(fēng)處，這樣耐熱差的元件會(huì)處在發(fā)元件散熱的路徑上，其結(jié)果是耐熱性差的元件處較高溫度處。所以，元件最好按圖4(a)排列，實(shí)際上，導(dǎo)體圖形設(shè)計(jì)要達(dá)到圖4(a)的理想排列仍有困難。
熱性能相同發(fā)熱元器件布置：圖5顯示PCB上安裝IC(0．3W)，LSI(1．5W)時(shí)溫度上升的實(shí)測(cè)值。按圖5(a)排列，IC的溫度上升值是18℃-30℃，LSI溫度上升值是50℃。按圖5(b)排列，LSI溫度上升值是40℃，比圖5(a)排列還要低10℃。
因此，具有相同水平的耐熱元件混合排列時(shí)，基本排列順序是：耗電大的元件、散熱性差的元件應(yīng)裝在上風(fēng)處。
2高發(fā)熱器件加散熱器、導(dǎo)熱板
當(dāng)PCB中有少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(shí)(少于3個(gè))時(shí)，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁?，?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。
通過(guò)PCB板本身散熱
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圍空氣中散熱。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。
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1選用導(dǎo)熱性良好的板材
現(xiàn)今大量使用的環(huán)氧玻璃布類板材，其導(dǎo)熱系數(shù)一股為0．2W／m℃。普通的電子電路由于發(fā)熱量小，通常采用環(huán)氧玻璃布類基材制作，其產(chǎn)生的少量熱量一般通過(guò)走線熱設(shè)計(jì)和元器件本身散發(fā)出去。隨著元件小型化、高集成化，高頻化，其熱密度明顯加大，特別是功率器件的使用，為滿足這種高散熱要求后來(lái)開(kāi)發(fā)出了一些新型導(dǎo)熱性板材。如美國(guó)研制的T-Lam板材，它是在樹(shù)脂內(nèi)填充了高導(dǎo)熱性的氮化硼粉，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高到4W／m℃，是普通環(huán)氧玻璃布類基材的20倍。美國(guó)Rogers公司開(kāi)發(fā)的復(fù)合基材RO4000系列和TMM系列，它是在改性樹(shù)脂中添加了陶瓷粉，使其導(dǎo)熱系數(shù)提高到(0．6-1)W／m℃,是普通環(huán)氧玻璃布類基材的3—5倍，也是一種不錯(cuò)的選擇。還有就是陶瓷基板，它是由純度為92％-96％的氧化鋁(AI2O3)制成，其導(dǎo)熱系數(shù)提高到10W／m℃，是普通環(huán)氧玻璃布類基材的50倍，它大量使用在混合IC，微波集成器件以及功率組件中，是導(dǎo)熱性良好基板材料。還有就是導(dǎo)熱性較好的SiC和AIN等材料，其作為PCB基材應(yīng)用還在進(jìn)一步研究中。
2采用合理的走線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)散熱
由于板材中的樹(shù)脂導(dǎo)熱性差，而銅箔線路和孔是熱的良導(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。
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。PCB板的等效導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)圖6所示。
從表2我們可以看出板厚度越小，銅箔越厚，銅箔剩余率越高，層數(shù)越多，其等效導(dǎo)熱系數(shù)越大，PCB板的導(dǎo)(散)熱效果越好。
PCB厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)比表面的導(dǎo)熱系數(shù)小得多。為了改善厚度方向的導(dǎo)熱性，可采用導(dǎo)熱孔。導(dǎo)熱孔是穿過(guò)：PCB的金屬化小孔(1．0mm-0.4mm)。其效果相當(dāng)于一個(gè)細(xì)銅導(dǎo)管沿PCB厚度方向從其表面穿透，使PCB正背面的熱量發(fā)生短路，發(fā)熱元件的熱量向PCB背面迅速逃逸或傳導(dǎo)給其它散熱層。如安裝在PCB上的IC裸芯片，在其正下方的PCB板上設(shè)置無(wú)數(shù)個(gè)導(dǎo)熱孔的設(shè)計(jì)方案正在普及。因此，在PCB走線時(shí)為提高散熱能力，應(yīng)采用粗線、厚銅箔、薄板、多層、大面積鋪銅、加導(dǎo)熱孔設(shè)計(jì)方案。
3采用金屬基(芯)POB板進(jìn)行散熱
金屬基多層印制板是指在多層板的某一面襯上金屬板，通過(guò)金屬板向外散熱或直接與外接散熱裝置相連起到快速散熱的效果。目前市面上已有標(biāo)準(zhǔn)的單面鋁基覆銅箔板材出售，并在開(kāi)關(guān)電源、汽車、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上大量使用。當(dāng)電路密度較高，有雙面SMT要求或通孔插裝元件較多時(shí)，必須采用高導(dǎo)熱型金屬芯多層板來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是將導(dǎo)熱性較好的
金屬板嵌入多層印制板的中間，其典型結(jié)構(gòu)如圖7金屬芯板本身也可作為地層使用，其上下層可通過(guò)金屬化孔(與芯板絕緣)互聯(lián)，并通過(guò)導(dǎo)熱孔實(shí)現(xiàn)熱量在金屬芯板內(nèi)層和表面的傳遞。如圖7所示，發(fā)熱元件可通過(guò)底部和導(dǎo)熱孔直接焊接在板面上，發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱直接傳遞到金屬芯板，由金屬芯板經(jīng)導(dǎo)熱孔傳給接觸的安裝機(jī)箱而散發(fā)出去；熱量較大時(shí)可銑去芯板兩邊的絕緣層，通過(guò)邊緣裸露的金屬芯板與機(jī)座接觸散熱，因此具有良好的散熱效果。對(duì)處于密閉機(jī)箱中的電路散熱是一種較好的選擇金屬芯PCB的芯材通常有鋁、銅、鋼等，后來(lái)開(kāi)發(fā)出了覆銅因瓦復(fù)合材料(CIC)，它不僅具有良好的導(dǎo)熱性，而且其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體器件匹配性好，所制成的CIC金屬芯板可應(yīng)用于要求高可靠性、高組裝密度、高功率、高性能的軍用電子設(shè)備中。
