PCB的熱設計

《現代電子技術(shù)) 2002年第8期總第139期工.業(yè)0動(dòng)化收稿日期: 2002 -06-28PCB的熱設計Thermal Reliability Design for PCB杜麗華蔡云枝DU LihuaCAI Yunzhi(上海中亞信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司上海 200233)(中興通訊上海-所系統部上海200231)Shenghei ZhongYs Corporation, Shenghni. 200233. Chia) (Shunghei No. 1 Insitute ZTE Corportion, Shanghi, 200231. China)要:熱分析、鵝設計是提高印制板熱可靠性的重要措施?；跓嵩O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(shù)措施。關(guān)鍵詞，印制板;熱設計:熱分析2.4熱輻射1熱設計的 要性(1)印制板表面的輻射系數;電子設備在工作期間所消耗的電能，除了有用功(2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對外，大部分轉化成熱量散發(fā)。電子設備產(chǎn)生的熱量,使溫度;內部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設備2.5 熱傳導會(huì )繼續升溫，器件就會(huì )因過(guò)熱失效，電子設備的可靠(1)安裝散熱器;性將下降。(2)其他安裝結構件的傳導。SMT使電子設備的安裝密度增大,有效散熱面積2.6熱對流減小，設備溫升嚴重地影響可靠性，因此，對熱設計(1)自然對流;的研究顯得十分重要。(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2印制 電路板溫升因素分析的有效途徑，往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統中這些因素是互引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件相關(guān)聯(lián)和依賴(lài)的,大多數因素應根據實(shí)際情況來(lái)分析，的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強度只有針對某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計算或估隨功耗的大小變化。算出溫升和功耗等參數。印制板中溫升的2種現象:3熱設計原則(1)局部溫升或大面積溫升;(2)短時(shí)溫升或長(cháng)時(shí)間溫升。3.1選材在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來(lái)分(1)印制板的導線(xiàn)由于通過(guò)電流而引起的溫升加析。上規定的環(huán)境溫度應不超過(guò)125 C (常用的典型值。根2.1 電氣功耗據選用的板材可能不同)。由于元件安裝在印制板上也(1)分析單位面積上的功耗;發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板(2)分析PCB板上功耗的分布。設計時(shí)應考慮到這些因素,熱點(diǎn)溫度應不超過(guò)125 C.2.2印制板的結 構盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箱。(1)印制板的尺寸;(2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的(2)印制板的材料。板材。2.3印制板的安裝方式(3)采用多層板結構有助于PCB熱設計。(1)安裝方式(如垂直安裝，水平安裝);3.2中國煤化工(2)密封情況和離機殼的距離。皮、開(kāi)窗及散熱孔MHCNMHG等技小理業(yè)口理雙時(shí)必然團應道，保證熱量順利導.85PCB的熱設計出PCB. .3.4布線(xiàn)時(shí)的要求(2)散熱通孔的設置(1)板材選擇(合理設計印制板結構);設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱(2)布線(xiàn)規則;面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度。如在L.CCC(3)根據器件電流密度規劃最小通道寬度;特別器件的焊盤(pán)上設立導通孔。在電路生產(chǎn)過(guò)程中焊錫將注意接合點(diǎn)處通道布線(xiàn);其填充，使導熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能(4)大電流線(xiàn)條盡量表面化;在不能滿(mǎn)足要求的通過(guò)通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的條件下，可考慮采用匯流排;銅泊散發(fā)掉。在-一些特定情況下，專(zhuān)門(mén)設計和采用了(5)要盡量降低接觸面的熱阻。為此應加大熱傳.有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料,如導面積;接觸平面應平整、光滑，必要時(shí)可涂覆導熱一些模塊電源上采用的印制板。硅脂;(3)導熱材料的使用(6)熱應力點(diǎn)考慮應力平衡措施并加粗線(xiàn)條;為了減少熱傳導過(guò)程的熱阻，在高功耗器件與基(7)散熱銅皮需采用消熱應力的開(kāi)窗法，利用散材的接觸面上使用導熱材料，提高熱傳導效率。熱阻焊適當開(kāi)窗;(4)工藝方法.(8)視可能采用表面大面積銅箝;對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫,(9)對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤(pán)，以為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻人少量的細小銅充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱;料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器(10)盡可能多安放金屬化過(guò)孔，且孔徑、盤(pán)面盡件與印制板間的間隙增加，增加了對流散熱。量大，依靠過(guò)孔幫助散熱;(11)器件散熱補充手段;3.3元器件的排布要求 .(1)對PCB進(jìn)行軟件熱分析,對內部最高溫升進(jìn)(12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟性考慮可不采用附加散熱器的方法;行設計控制;(2)可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專(zhuān)門(mén)設計(13)根據器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結溫來(lái)計算合適的表面散熱鋼館面積(保證原則i;≤(0.5~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0.8) tm)。件集中布放，如無(wú)法避免，則要把矮的元件放在氣流4熱仿真(熱分析)的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區;熱分析可協(xié)助設計人員確定PCB上部件的電氣(4)使傳熱通路盡可能的短;性能，幫助設計人員確定元器件或PCB是否會(huì )因為高(5)使傳熱橫截面盡可能的大;(6)元器件布局應考慮到對周?chē)慵彷椛涞挠皽囟鵁龎?。?jiǎn)單的熱分析只是計算PCB的平均溫度，響。對熱敏感的部件、元器件(含半導體器件)應遠復雜的則要對含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設備建立瞬態(tài)模型。離熱源或將其隔離;無(wú)論分析人員在對電子設備、PCB以及電子元件(7) (液態(tài)介質(zhì))電容器的最好遠離熱源;建立熱模型時(shí)多么小心翼翼，熱分析的準確程度最終(8)注意使強迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向- -致;還要取決于PCB設計人員所提供的元件功耗的準確(9)附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;性。在許多應用中重量和物理尺寸非常重要，如果元.(10)盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;件的實(shí)際功耗很小，可能會(huì )導致設計的安全系數過(guò)高,(11)發(fā)熱器件應盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件.從而使PCB的設計采用與實(shí)際不符或過(guò)于保守的元允許時(shí)應處于氣流通道上;件功耗值作為根據進(jìn)行熱分析.(12)熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印與之相反(同時(shí)也更為嚴重)的是熱安全系數設制板的角落和四周邊緣，只要有可能應安裝于散熱器計過(guò)低，也即元件實(shí)際運行時(shí)的溫度比分析人員預測上，并遠離其他器件，并保證散熱通道通暢;的要高，此類(lèi)問(wèn)題- -般要通過(guò)加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(13)(小信號放大器外圍器件)盡量采用溫漂小中國煤化工:附件增加了成本，而的器件;|Y片C N M H G人風(fēng)扇還會(huì )給可靠性(14) 盡可能地利用金屬機箱或底盤(pán)散熱。帶采一層個(gè)穩定因系，因此PCB現在主要采用主動(dòng)式36(現代電子技術(shù)) 2002年第8期總第139期工.業(yè)自動(dòng)化而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對流、傳導及輻射散是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。熱)，以使元件在較低的溫度范圍內工作。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩態(tài)條件下分別進(jìn)行熱設計不良最終將使得成本上升而且還會(huì )降低可額定和最差狀況分析?？啃?，這在所有PCB設計中都可能發(fā)生，花費一些功PCB受到各種類(lèi)型熱量的影響，可以應用的典型夫準確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助熱邊界條件包括:于生產(chǎn)出小巧且功能性強的產(chǎn)品。應使用準確的熱模前后表面發(fā)出的自然或強制對流;型和元件功耗，以免降低PCB設計效率。前后表面發(fā)出的熱輻射;.1 元件功耗計算.從PCB邊緣到設備外殼的傳導;準確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復迭代通過(guò)剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導;的過(guò)程，PCB設計人員需要知道元件溫度以確定出損從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導;耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸人到2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導。熱模型中。設計人員先猜測一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及從初步熱分析中得出估計值，并將元件功耗輸人到細分析工具包括分析任意結構的通用工具、用于系統流化的熱模型中,計算出PCB和相關(guān)元件“結點(diǎn)”(或熱程/傳熱分析的計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具，以及用點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計算元件功耗，算于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具。出的功耗再作為下一步熱分析過(guò)程的輸人。在理想的4.2基本過(guò)程情況下，該過(guò)程一直進(jìn)行下去直到其數值不再改變?yōu)樵诓挥绊懖⒂兄谔岣呦到y電性能指標的前提上。下，依據提供的成熟經(jīng)驗，加速PCB熱設計。然而PCB設計人員通常面臨需要快速完成任務(wù)在系統及熱分析預估及器件級熱設計的基礎上，的壓力，他們沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復的元器件通過(guò)板級熱仿真預估熱設計結果，尋找設計缺陷，并電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB提供系統級解決方案或變更器件級解決方案。的總功耗,將其作為-個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻通過(guò)熱性能測量對熱設計的效果進(jìn)行檢驗，對方熱流通量。熱分析可預測出平均環(huán)境溫度，使設計人案的適用性和有效性進(jìn)行評價(jià);員用于計算元器件的功耗，通過(guò)進(jìn)-步重復計算元件通過(guò)預估一設計-測量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流溫度知道是否還需要作其他工作。程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度,提高-般電子元器件制造商都提供有元器件規格，包熱仿真精度;補充PCB熱設計經(jīng)驗。括正常工作的最高溫度。元件性能通常會(huì )受環(huán)境溫度4.3 板級熱仿真或元件內部溫度的影響，消費類(lèi)電子產(chǎn)品常采用塑封板級熱仿真軟件可以在三維結構模型中模擬PCB元件，其工作最高溫度是85 C;而軍用產(chǎn)晶常使用陶的熱輻射、熱傳導、熱對流、流體溫度、流體壓力、流瓷件，工作最高溫度為125 C,額定最高溫度通常是.體速度和運動(dòng)矢量，也可以模擬強迫散熱、真空狀態(tài)105C。PCB設計人員可利用器件制造商提供的“溫度或自然散熱等。目前可做板級熱分析比較典型的軟件/功率”曲線(xiàn)確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。有Flotherm, Betasoft 等等。計算元件溫度最準確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但Abstract: The reliable thermal analysis and design is an important measure to improving the PCB's reliability. Based on thebasic knowledge of thermal design. the question of selecting the cooling plan and the specific technical measure of thermal analysisand design are discussed.Keywords: PCB; thermal design; thermal analysis作者筒介杜麗華 女， 漢族，1964.9生，河北唐山人，1989 年畢業(yè)于西北師范大學(xué)夜大學(xué)數學(xué)系，應用數學(xué)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師，現俁職于上海中亞信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司。蔡云枝男。 漢族，1964.11生，甘肅隴西人，1988年畢業(yè)于西安交通大學(xué)信息與控制工程系，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位，高級工程師，現供職于中興通訊上海一所。中國煤化工YHCNMHG87