印制電路板的熱設計和熱分析

現代電子技術(shù)》2007年第18期總第257期P集成電路印制電路板的熱設計和熱分析張世欣,高進(jìn),石曉邡(中國空空導彈研究院河南洛陽(yáng)471009)摘要:熱設計和熱分析是提高印制電路板熱可靠性的重要方法,基于熱設計和熱分析的基本理論,結合近幾年的印制電路板設計經(jīng)臉,從元器件的使用、印制板的選襯、構造、元器件的安茉和布局和其他要求等方面討論了印飼電路板熱設計的具體措施和方法,并簡(jiǎn)要地介紹了印制電路板菇分析的概念、主要技術(shù)和主要作用關(guān)鍵詞:印制電路板;熱設計;熱分析;熱阻;熱流密度中圖分類(lèi)號;TN710文獻標識碼:B文章編號:1004-373X(2007)18-189-04Thermal Design and Analysis for PCBZHANG Shixin, GAo Jin, SHI Xiaoyu(China Airherne Missile Academy, Luoyang, 471009, ChinaAbstract: Thermal design and analysis is an important method to improve PCB's thermal reliability. Based on the basic the-ory of thermal design and analysis, along with the pCb design experience which is acquired by the author in recent years. Thisarticle discusses the specific technique in several areas of PCB's thermal design, such asent selection, material for PcBfabricating, placement and installation of components, also introduces concisely the concepts, main technique and function usedin thermal analysis of PCB.Keywords: PCB; thermal design; thermal analysis; thermal resistance: thermal current density2熱設計基本理論統計數據表明55%的電子產(chǎn)品失效與過(guò)高的熱環(huán)境熱設計的理論基礎是傳熱學(xué)和流體力學(xué),凡有溫差的應力有關(guān)。較嚴酷的熱環(huán)境應力對大多數電子產(chǎn)品的地方就有熱量的傳遞,熱量總是從高溫區流向低溫區。熱正常工作產(chǎn)生嚴重的影響,導致電子元器件加速失效,從傳遞有導熱、對流和輻射3種方式而引起整個(gè)產(chǎn)品的失效。近年來(lái),隨著(zhù)大規模、超大規模傳熱的基本計算公式為:集成電路和表面貼裝技術(shù)的應用,電子產(chǎn)品向小型化、高=KA△t密度、高?？啃苑较虬l(fā)展,尤其在航空航天領(lǐng)域,高度集成式中:9為熱流量單位為W;K為總傳熱系數單位為性、高度精確性、高度復雜性和極其狹小的空間等特點(diǎn),使W/(m2·K);A為傳熱面積單位為m2;△t為熱流體與冷流得對電子系統熱設計的要求也越來(lái)越高,熱已成為影響其體之間的溫差單位為K印制電路板熱設計就是利用熱的傳遞特性,通過(guò)冷卻性能和可靠性的重要因素之一措施使熱源至耗熱空間熱通道的熱阻降至最小或者是將作為電子設備重要組成部分印制電路板設計得合理印制電路板的熱流密度限制在可靠性規定的范圍內。為與否,直接影響著(zhù)設備的性能甚至損壞電子設備。由于保證可靠性指標的實(shí)現,必須采取有效的熱設計措施。主電路模塊集成度的不斷增加以及集成電路和多芯片模塊要的熱設計措施主要有以下幾類(lèi)的大量應用,印制電路板的組裝密度也不斷增加,使得印(1)自然冷卻是不使用外部動(dòng)力情況下的傳熱的方制電路板上的熱流密度(單位面積的熱流量)很大,一塊好法,他包括導熱輻射換熱和自然對流換熱等的印制電路板,不僅需要連接關(guān)系正確,如何控制印制電中國煤化立機或沖壓空氣使冷卻路板上器件的溫升,使其不超過(guò)叫靠性規定的限值,確?？諝鉄崃繌臒嵩磦髦翢岢?。產(chǎn)品的熱可靠性并安全工作也愈發(fā)顯得重要,因此對印制,.直接液體冷卻和間接液電路板的熱設計和熱分析顯得尤為迫切。體冷卻。①直接液體冷卻是將電子元器件直接浸漬與液體冷收癀日期:2007-04-15卻劑進(jìn)行冷卻;189張世欣等:印制電路板的熱設計和熱分析②間接液體冷卻是電子元器件與冷卻劑不直接接(2)采用降額減少溫升;觸熱量通過(guò)換熱器或冷板進(jìn)行冷卻。(3)對電路尤其是含有功率器件的應根據相關(guān)標準(4)蒸發(fā)冷卻。利用冷卻介質(zhì)的沸騰達到換熱的目手冊進(jìn)行周密的可靠性熱設計。的。是已知的最有效的傳熱方法3.1.3元器件使用中的降額設計(5)其他冷卻。如熱管、冷板、熱電制冷等根據需要元器件在使用中可采用降額設計。在實(shí)際設計中可根據印制電路板的實(shí)際工作環(huán)境(溫度、濕應用時(shí),使元器件在低于其額定參數(功率、電壓、電流)的度、氣壓、塵埃等),板上熱流密度,體積功率密度、總功耗,條件下工作。元器件的降額使用可有效地減少溫升、降低表面積、體積、熱沉及其他特殊條件等,選擇最合適的熱設失效率計措施,以保證印制電路板上的溫度分布均勻且溫升不超3.2印制板的熱設計過(guò)可靠性規定的限值印制板直立安裝有利于散熱,板與板之間的距離一般3熱設計不應小于2cm,在考慮印制板的熱設計時(shí)一般應遵循以下準則:熱設計主要是控制電子產(chǎn)品內部所有電子元器件的(1)選用耐高溫、導熱系數高的材料作為印制電路板溫度,保證電氣性能穩定,避免或減小電參數的溫度漂移,的材料。高功率密度電路可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的降低元器件的基本失效率,使其在所處的工作環(huán)境下不超板材。過(guò)規定的最高允許溫度。本文將從以下幾個(gè)方面對印制2)合理設計印制板結構,盡可能采用多層PCB板電路板的熱設計進(jìn)行詳細討論:印制板上元器件的使用,結構。印制板的熱設計,印制板上元器件的安裝和布局和其他方3)為了增強印制板的導熱能力,最好采用散熱印制面的要求等板;在多層印制板中使用金屬夾心板(見(jiàn)圖1),以保證這3.1電子元器件的使用些多層板到支撐件和夾心散熱件間良好的散熱;若需要還3.1.1元器件工作溫度的控制可以使用防護涂層和灌封材料,加快熱量傳輸到支撐件或溫度是直接影響元器件性能和失效率的因素。應根散熱片上據所要求的產(chǎn)品可靠性和分配給每個(gè)元器件的失效率確導體圖形定元器件的最高允許工作溫度和功耗。根據需要可采用特型元件來(lái)實(shí)現溫度的補償和控制。在可靠性熱設計時(shí)元器件表面溫度允許值見(jiàn)表1絕緣層一金屬芯衰1元晶件衰面溫度允許值Cu,ALFe等)導體圖形元器件名稱(chēng)表面允許濕度元器件名稱(chēng)允許江度圖1金屬夾心板變壓器、扼流圖瓷電容器80~85(4)為增加印制板的散熱能力可以采用匯流排,實(shí)際金屬膜電阻玻璃陶瓷電容器上也相當于給印制板安裝了一個(gè)性能良好的散熱器,同時(shí)碳電阻器珪晶體管150~200提高了印制板的抗干擾性能。圖2為匯流排的結構圖,其中圖2(a),(b)分別是正面和截面結構圖。他是用2片薄鈀膜電且諸晶體管70~90層壯的銅導體粘接在一起,中間用絕緣膜隔開(kāi),一片導體壓削線(xiàn)繞電阻150作地線(xiàn),另一片導體電源線(xiàn),兩層導體均有一系列引腳,可CMOS全密封125以直接焊在印制板上扁平封涂漆線(xiàn)繞電陶瓷直抽、黑瓷直捶坻介電容器MOs塑料直插導體(鋼薄膜電容器60~130TTL小規模集威電路25~125表面絕緣物層向絕緣電極引腳云母電客器70~120TTL中規模集威電路70~85中國煤化工云絕緣3.1.2元器件結溫的控制CNMHG元器件結溫取決于自身功耗、熱阻和環(huán)境溫度。因此圖2匯流排結構圖控制結溫不超過(guò)允許范圍的措施包括(5)為了提高印制板自身的散熱能力,應適當增加鋼1)選用內熱阻足夠小的元器件箔的厚度,尤其是多層板的內導體,盡可能采用表面大面190《現代電子技術(shù))2007年第18期總第257期P集成電路積銅箔。此外還應適當加寬印制板地線(xiàn)的寬度,對于地區域(如產(chǎn)品的底部),千萬(wàn)不要將他放在發(fā)熱器件的正上線(xiàn),大平面接地不僅可以有效地提高電路的抗干擾能力,方,應遠離熱源或將其隔離,多個(gè)器件最好是在水平面上而且還具有很好的散熱效果。交錯布局。(6)大電流線(xiàn)條盡量表面化;散熱銅皮需采用消熱應(5)將功耗最高和發(fā)熱量最大的器件布置在散熱的力的開(kāi)窗法,利用散熱阻焊適當開(kāi)窗;對印制板上的接地最佳位置附近。不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的安裝孔采用較大焊盤(pán),以充分利用安裝螺栓和印制板表面角落和四周邊緣除非在他的附近安排有散熱裝置。在設的銅箔進(jìn)行散熱;盡可能多安放金屬化過(guò)孔,且孔徑、盤(pán)面計功率電阻時(shí)盡可能選擇大一些的器件,且在調整印制板盡量大,依靠過(guò)孔幫助散熱。布局時(shí)使之有足夠的散熱空間。3.3印制板上元器件的安裝和布局(6)盡可能將功率均勻地分布在PCB板上,保持PCB印制板上的元器件如何布置對于散熱來(lái)說(shuō)有很大作表面溫度性能的均勻和一致,避免PCB上熱點(diǎn)的集中。用特別是對于垂直放置的印制板來(lái)說(shuō)意義更大。元器件往往設計過(guò)程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的,但的安裝方位要符合冷卻劑的流動(dòng)特性,有利于冷卻劑的流定要避免功率密度太高的區域,以免出現過(guò)熱點(diǎn)影響整動(dòng)(阻力最小)個(gè)電路的正常工作元器件在印制板上的布置方式和安裝方位一般應遵(7)在設計時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件。循以下原則?？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(1)對于采用自由對流空氣冷卻的產(chǎn)品,最好是將集路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區域留有較大的空域。成電路(或其他器件)按縱長(cháng)方式排列,如圖3所示。對于為了達到良好的傳熱效果,在印制板上可采用元釆用強制空氣冷卻的產(chǎn)品,最好是將集成電路(或其他器器件的熱安裝技術(shù)。雙列值插式元件、集成電路以及微處件)按橫長(cháng)方式排列,如圖4所示理器等有一半以上的熱量是通過(guò)本身的引線(xiàn)傳遞給印制板的,其引線(xiàn)安裝孔應采用金屬化鍍覆孔,并且安裝時(shí)可將元器件直接跨騎或貼裝在導熱條或導熱板上,以降低元器件導致印制板的熱阻。(9)髙熱耗散器件在與印制板連接時(shí)應盡可能減少他們之間的熱阻。為了更好地滿(mǎn)足熱特性的要求,在芯片底面可使用一些熱導材料,并保持一定的接觸區域器件散熱。圖3縱長(cháng)方式排列(10)器件與印制板的連接時(shí)盡量縮短器件引線(xiàn)長(cháng)度;在選擇高功耗器件時(shí),應考慮引線(xiàn)材料的導熱性,如果可能盡量選擇引線(xiàn)橫段面最大和管腳數較多的器件3.4其他要求在進(jìn)行印制電路板熱設計時(shí)還應考慮以下幾個(gè)方面(1)器件的封裝選取在考慮熱設計時(shí)應注意器件的封裝說(shuō)明和他的熱傳圖4橫長(cháng)方式排列導率,考慮在基板與器件封裝之間提供一個(gè)良好的熱傳導(2)同一塊印制板上的器件應盡可能按其發(fā)熱量大路徑并且在熱傳導路徑上應避免有空氣隔斷,如果有這小及散熱程度分區排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如種情況可采用導熱材料進(jìn)行填充。小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣(2)工藝方法流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫,為了率晶體管大規模集成電路等)放在冷卻氣流最下游,小信改善散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細小銅料,再流號放大器外器件盡量采用溫漂小的器件,液態(tài)介質(zhì)電容焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器件與印制板器的最好遠離熱源。間的丿凵中國煤化工(3)在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿CNMH布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量扎U,↓以有效地提高散熱面積靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對其他器和減少熱阻,提高電路板的功率密度。如在LCC(全密件溫度的彩響封的無(wú)引線(xiàn)陶瓷芯片載體)器件的焊盤(pán)上設立導通孔。在4)對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的電路生產(chǎn)過(guò)程中焊錫將其填充,使導熱能力提高,電路工191張世欣等:印制電路板的熱設計和熱分析作時(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什的位置,優(yōu)化散熱器的形狀和尺寸以最大限度地發(fā)揮其層或背面設置的銅泊散發(fā)掉。散熱效率提高散熱孔和散熱片地熱傳遞效率以及確定單板與單板之間和電子系統內各個(gè)部件之間的空間大小。熱分析5結語(yǔ)熱分析的基礎是計算傳熱學(xué)。其數值計算方法主要有有限差分法、有限元素法和邊界元法。熱分析就是根據印制電路板熱設計熱分析是提高產(chǎn)品可靠性必不可工程實(shí)際來(lái)刈模型簡(jiǎn)化,建立數學(xué)模型,求解非線(xiàn)性方程少的方法。在設計中,熱設計和熱分析要同步進(jìn)行,相互編制和調試分析程序以及熱參數的計算和測量驗證等。優(yōu)化。設計人員通過(guò)熱分析確定系統和單元的傳熱途徑作為熱設計的基礎,熱分析是評估熱設計好壞的重要確定最佳的冷卻方法及確定各個(gè)傳熱環(huán)境的熱阻;通過(guò)熱手段。印制電路板的熱分析就是根據印制板的結構及原設計選擇耐熱性和熱穩定性好的元器件、原材料,合埋布材料、元器件的封裝形式、印制板的工作環(huán)境等條件,建立局,從而設計出高性能高可靠性的印制電路板元器件的熱模型(熱庫),設置仿真控制參數,對所設計的印制電路板的熱行為進(jìn)行估值計算。熱分析必須在進(jìn)行參考文獻印制板布線(xiàn)之前的初步設計階段就同步進(jìn)行,而且要貫穿整個(gè)設計的全過(guò)程。[1]邱成悌,蔣全興電子設備結構設計原理[M].南京:東南大從熱分析的結果中可得出元器件溫度、板溫度和氣流學(xué)出版社,2001溫度值,他們以彩圖、等溫線(xiàn)可視化溫度圖形或其體數據[21國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì ).GB27-92電子設備可靠性等形式顯示出印制電路板的熱特性熱設計手冊[幻].北京;國防科T委軍標出版發(fā)行部,199據分析結果,可迅速查出印制板中存在的熱問(wèn)題找[3]黃書(shū)偉,盧申林,錢(qián)毓清印制電路板的可靠性設計[M]北出問(wèn)題的根源,以便及時(shí)采取措施,消除印制板的高熱濃京:國防工業(yè)出版社,2004縮區。從而確定印制板上導熱通道,優(yōu)化印制板上關(guān)鍵器[4ˉ謝德仁.電子設備熱設計[M.南京:東南大學(xué)出版社,1988作者簡(jiǎn)介張世欣男,1979年出生,河南平頂山人,助理工程師?，F從事EDA方面的工作高進(jìn)男,1968年出生,河南洛陽(yáng)人,高工程師?，F從事EDA方面的工作石曉郗男,1972年出生,河南洛陽(yáng)人,在讀碩士研究生,高級工程師?，F從事EDA方面的工作(上接第188頁(yè))133333R13333RI005007142002850114280135710157140178517102圖7報警器電路工作波形圖6報警器電路圖[2]閻石.數字電子技術(shù)基礎[M].北京:高等教育出版社,2003[3]李良榮,羅偉雄現代電子設計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出社,20[4「1]陳松,金鴻.電子設計自動(dòng)化技術(shù)[M]南京:東南大學(xué)出版中國煤化工術(shù)M,濟南,出承科學(xué)技CNMHG者簡(jiǎn)介黃萍女,1950年出生,山東青島人,副教投192