- 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的熱密度越來越大，如果散熱問題解決不好，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)電流通過時(shí)就發(fā)熱，象mA(毫安)、uA(微安)級(jí)那樣的小電流通過時(shí)，發(fā)熱問題可忽略不計(jì)，但當(dāng)大電流(百毫安級(jí)以上)通過時(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)，絕緣材料自身開始發(fā)黃(圖1)，電流繼續(xù)通過，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)，可通過增加銅箔厚度或加大線寬值兩個(gè)方面來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來說，其散熱無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，利用空氣對(duì)流散發(fā)出去。
通過元器件優(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，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)峁埽?dāng)溫度還不能降下來時(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)熱墊來改善散熱效果。
通過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開發(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公司開發(fā)的復(fù)合基材RO4000系列和TMM系列，它是在改性樹脂中添加了陶瓷粉，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：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，其上下層可通過金屬化孔(與芯板絕緣)互聯(lián)，并通過導(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，后來開發(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。
