PCB的熱分析與熱設(shè)計(jì)技術(shù)

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PCB的熱分析與熱設(shè)計(jì)技術(shù)

1．PCB熱量的來(lái)源
電源適配器在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，還有一部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電源適配器產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，會(huì)繼續(xù)升溫，元器件就會(huì)因過(guò)熱失效，電源適配器的可靠性將下降。SMT使電源適配器元器件的安裝密度增大，有效散熱面積減小，電源適配器溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此對(duì)電源適配器PCB的熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。引起電源適配器PCB溫升的直接原因是由于電路功耗元器件的存在，電子元器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小而變化。PCB中溫升的兩種現(xiàn)象為：①局部溫升或大面積溫升；②短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。
電源適配器PCB中熱量的來(lái)源主要有3個(gè)方面：電子元器件的發(fā)熱、PCB本身的發(fā)熱、其他部分傳來(lái)的熱。在這3個(gè)熱源中，元器件的發(fā)熱量較大，是主要熱源，其次是PCB產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于電源適配器的總體熱設(shè)計(jì)。
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，盡量減少發(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內(nèi)，在此范圍內(nèi)工作時(shí)性能佳、功耗小、壽命長(zhǎng)。功率器件本身發(fā)熱量大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免滿(mǎn)負(fù)荷工作。對(duì)于大功率器件應(yīng)執(zhí)行降額設(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)加大電源適配器的穩(wěn)定性、可靠性，還是減少發(fā)熱量都有好處。
PCB是由銅導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)材料組成的，一般認(rèn)為絕緣介質(zhì)材料不發(fā)熱。銅導(dǎo)體由于銅本身存在電阻，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)熱，mA（毫安）、μA（微安）級(jí)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。值得注意的是，當(dāng)銅導(dǎo)體溫度上升到85℃時(shí)，絕緣材料自身開(kāi)始發(fā)黃，電流繼續(xù)通過(guò)，較后銅導(dǎo)體熔斷。特別是多層PCB內(nèi)層的銅導(dǎo)體，周?chē)际莻鳠嵝圆畹臉?shù)脂，散熱困難，因而溫度不可避免地上升，所以要特別注意銅導(dǎo)體的線(xiàn)寬設(shè)計(jì)。實(shí)際上，在進(jìn)行PCB布線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，走線(xiàn)寬度主要依據(jù)其發(fā)熱量和散熱環(huán)境來(lái)確定。銅導(dǎo)體的截面積決定了導(dǎo)線(xiàn)電阻（數(shù)字電路中線(xiàn)電阻引起的信號(hào)損耗可忽略不計(jì)），銅導(dǎo)體和絕緣基材的熱導(dǎo)率影響溫升，進(jìn)而決定載流量。例如，銅導(dǎo)體截面積一定，當(dāng)其允許電流值為2A、溫度上升值低于10℃時(shí)，對(duì)于35μm銅箔，其線(xiàn)寬應(yīng)設(shè)計(jì)為2mm；對(duì)于70μm銅箔，其線(xiàn)寬應(yīng)設(shè)計(jì)為1mm。由此得出，當(dāng)銅導(dǎo)體的截面積、允許電流和溫度上升值一定時(shí)，可從增加銅箔厚度或加大銅導(dǎo)體線(xiàn)寬兩個(gè)方面來(lái)滿(mǎn)足散熱要求。

2．電路熱分析
電路熱分析分為3個(gè)步驟：首先估計(jì)元器件中產(chǎn)生的熱量，然后估計(jì)PCB或散熱片散發(fā)的熱量，較后估計(jì)元器件將要運(yùn)行的環(huán)境溫度。PCB或散熱器會(huì)通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式將元器件的熱量散發(fā)出去。傳導(dǎo)散熱主要是通過(guò)功率器件芯片金屬引線(xiàn)框和PCB上的銅箔來(lái)傳導(dǎo)熱量。一旦PCB銅箔或分立散熱片傳導(dǎo)出熱量，就為對(duì)流散熱提供了足夠大的將熱量散播到空氣中的表面積。
對(duì)流散熱也有一些困難，在高溫下，熱阻會(huì)增加，為此采用熱阻作為熱分析參數(shù)。元器件數(shù)據(jù)中給出的若是從結(jié)到外界的熱阻Rja，則該值表示的是當(dāng)元器件未連散熱片或未焊到PCB上時(shí)的溫升。熱設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的熱阻是從芯片到PCB的熱阻Rjb及從芯片到封裝表面的熱阻Rjc，可用兩個(gè)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)PCB測(cè)量Rja，一個(gè)是單面PCB，另一個(gè)是多層PCB。如果有Rjb和Rjc規(guī)格，可估計(jì)元器件的真實(shí)溫升。在測(cè)量Rja時(shí)，PCB上沒(méi)有其他芯片，當(dāng)元器件周?chē)须娫春推渌l(fā)熱量的芯片時(shí)，以及當(dāng)PCB處于一個(gè)空間有限的無(wú)風(fēng)扇塑料外殼中時(shí)，實(shí)際溫升會(huì)高于Rja測(cè)量給出的值，因?yàn)槎鄶?shù)元器件的塑料封裝頂面都幾乎不傳送熱量。環(huán)氧樹(shù)脂塑料的熱傳導(dǎo)能力為0.6～1W/（m·K）（瓦每米開(kāi)爾文），而銅的導(dǎo)熱能力是400W/（m·K）。因此，銅的導(dǎo)熱能力比塑料高400～600倍。
熱分析中的較后一步是估計(jì)環(huán)境溫度，這步十分重要。例如，實(shí)驗(yàn)室空氣溫度為25℃，工作臺(tái)上的芯片工作在50℃。當(dāng)將這些芯片放到50℃的環(huán)境溫度下，芯片的溫度將達(dá)到75℃。但在估計(jì)環(huán)境溫度步驟中，有時(shí)無(wú)法確定元器件可能要工作的環(huán)境情況。
在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。
（1）電氣功耗，即PCB單位面積上的功耗、PCB上功耗的分布。
（2）PCB的結(jié)構(gòu)，即PCB的尺寸和材料。
（3）PCB的安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）、密封情況和離殼體的距離。
（4）熱輻射，即PCB表面的輻射系數(shù)、PCB與相鄰表面之間的溫差和它們的絕對(duì)溫度。
（5）熱傳導(dǎo)，即安裝散熱器、其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。
（6）熱對(duì)流，即自然對(duì)流、強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。
對(duì)上述各因素的分析是解決PCB溫升的有效途徑。往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中，這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴(lài)的，大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析，只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。

3．PCB熱設(shè)計(jì)的基本要求
在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是表面安裝用PCB設(shè)計(jì)，首先應(yīng)考慮材料的熱膨脹系數(shù)匹配問(wèn)題。元器件的封裝基板有3類(lèi)：剛性有機(jī)封裝基板、撓性有機(jī)封裝基板和陶瓷封裝基板，基板通過(guò)模塑技術(shù)、模壓陶瓷技術(shù)、層壓陶瓷技術(shù)和層壓塑料4種方式進(jìn)行封裝。基板用的材料主要有高溫環(huán)氧樹(shù)脂、BT樹(shù)脂、聚酰亞胺、陶瓷和難熔玻璃等，這些材料耐溫較高，X、Y方向的熱膨脹系數(shù)較低。在選擇PCB材料時(shí)應(yīng)了解元器件的封裝形式和基板的材料，并考慮元器件焊接工藝過(guò)程的溫度變化范圍，選擇熱膨脹系數(shù)與之相匹配的基材以降低由材料熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力。
許多元器件采用陶瓷封裝基板，它的熱膨脹系數(shù)典型值為（5～7）×10-6/℃，無(wú)引線(xiàn)陶瓷芯片載體LCCC的熱膨脹系數(shù)范圍是（3.5～7～8）×10-6/℃。有的元器件基板采用與某些PCB基材相同的材料，如PI、BT和耐熱環(huán)氧樹(shù)脂等。在選擇PCB的基材時(shí)應(yīng)盡量考慮使基材的熱膨脹系數(shù)接近于元器件基板材料的熱膨脹系數(shù)。

PCB的導(dǎo)線(xiàn)由于通過(guò)電流而引起溫升，規(guī)定其環(huán)境溫度應(yīng)不超過(guò)125℃（常用的典型值，根據(jù)選用的基材可能不同）。由于元器件安裝在PCB上也發(fā)出一部分熱量而影響PCB的工作溫度，所以在選擇PCB材料和PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過(guò)125℃。PCB基材盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔，在特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的基材，采用多層結(jié)構(gòu)也有助于PCB熱設(shè)計(jì)。
目前廣泛應(yīng)用的PCB基材是覆銅環(huán)氧玻璃布基材或酚醛樹(shù)脂玻璃布基材，還有少量的紙基覆銅基材。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)熱元器件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹(shù)脂傳導(dǎo)熱量，而是從元器件的表面向周?chē)諝庵猩帷５S著電子產(chǎn)品進(jìn)入部件小型化、高密度安裝、高發(fā)熱化組裝的時(shí)代，只靠十分小的元器件表面積來(lái)散熱是不夠的。同時(shí)由于QFP、BGA等表面安裝元器件的大量使用，元器件產(chǎn)生的熱量大量地傳給PCB，因此解決散熱的較好方法是提高與發(fā)熱元器件直接接觸的PCB自身的散熱能力，把熱量通過(guò)PCB傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。

4．PCB熱設(shè)計(jì)
在PCB熱設(shè)計(jì)中有3個(gè)措施：降耗、散熱和布局。降耗是不讓熱量產(chǎn)生；散熱是把熱量導(dǎo)走或散發(fā)出去，不對(duì)元器件產(chǎn)生影響；布局是熱量若沒(méi)散掉，可通過(guò)布局隔離熱敏感元器件。降耗是較根本的解決方法，降額和低功耗設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)主要途徑，但需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。元器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件，如片狀電阻、繞線(xiàn)電阻（少用碳膜電阻），獨(dú)石電容、鉭電容（少用紙介電容），MOS、CMOS電路（少用鍺管），表面安裝器件等。除了選擇低功耗元器件外，對(duì)一些溫度敏感的特型元器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償與控制也是解決問(wèn)題的辦法之一。
降額需要考慮的是降耗方式，假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線(xiàn)，標(biāo)稱(chēng)能通過(guò)10A的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導(dǎo)線(xiàn)加粗，增大余量，標(biāo)稱(chēng)通過(guò)20A的電流，再通過(guò)10A電流時(shí)，因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì)減小，熱量就小。而且因?yàn)椴捎昧私殿~設(shè)計(jì)，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，在元器件性能下降的情況下，因?yàn)橛杏嗔浚词剐阅芟陆担材軡M(mǎn)足要求。在給定條件下，當(dāng)電路中元器件溫度上升到超過(guò)可靠性保證溫度時(shí)，就要采取適當(dāng)?shù)纳釋?duì)策，使其溫度降低到可靠性工作范圍內(nèi)，這就是進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的后面目的。
散熱是PCB熱設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。對(duì)PCB來(lái)說(shuō)，其散熱無(wú)外乎3種基本類(lèi)型：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。導(dǎo)熱和對(duì)流是主要散熱手段，常用的散熱方式是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。輻射是利用空間的電磁波運(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。
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的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作。從有利于散熱的角度出發(fā)，PCB較好是直立安裝，PCB與PCB之間的距離一般應(yīng)不小于2cm。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.06.12 來(lái)源：電源適配器廠(chǎng)家

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