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PCB的熱分析與熱設計技術

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PCB的熱分析與熱設計技術

1．PCB熱量的來源
電源適配器在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，還有一部分轉化成熱量散發。電源適配器產生的熱量，使內部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發，會繼續升溫，元器件就會因過熱失效，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，電源適配器溫升嚴重地影響可靠性，因此對電源適配器PCB的熱設計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，發熱強度隨功耗的大小而變化。PCB中溫升的兩種現象為：①局部溫升或大面積溫升；②短時溫升或長時間溫升。
電源適配器PCB中熱量的來源主要有3個方面：電子元器件的發熱、PCB本身的發熱、其他部分傳來的熱。在這3個熱源中，元器件的發熱量最大，是主要熱源，其次是PCB產生的熱，外部傳入的熱量取決于電源適配器的總體熱設計。
元器件的發熱量是由其功耗決定的，因此在設計時首先應選用功耗小的元器件，盡量減少發熱量。其次是元器件工作點的設定，一般應選擇在其額定工作范圍內，在此范圍內工作時性能佳、功耗小、壽命長。功率器件本身發熱量大，設計時應盡量避免滿負荷工作。對于大功率器件應執行降額設計的原則，適當加大設計富裕度，這無論是對加大電源適配器的穩定性、可靠性，還是減少發熱量都有好處。
PCB是由銅導體和絕緣介質材料組成的，一般認為絕緣介質材料不發熱。銅導體由于銅本身存在電阻，當電流通過時就會發熱，mA（毫安）、μA（微安）級的小電流通過時，發熱問題可忽略不計，但當大電流（百毫安級以上）通過時就不能忽視。值得注意的是，當銅導體溫度上升到85℃時，絕緣材料自身開始發黃，電流繼續通過，最后銅導體熔斷。特別是多層PCB內層的銅導體，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，所以要特別注意銅導體的線寬設計。實際上，在進行PCB布線設計時，走線寬度主要依據其發熱量和散熱環境來確定。銅導體的截面積決定了導線電阻（數字電路中線電阻引起的信號損耗可忽略不計），銅導體和絕緣基材的熱導率影響溫升，進而決定載流量。例如，銅導體截面積一定，當其允許電流值為2A、溫度上升值低于10℃時，對于35μm銅箔，其線寬應設計為2mm；對于70μm銅箔，其線寬應設計為1mm。由此得出，當銅導體的截面積、允許電流和溫度上升值一定時，可從增加銅箔厚度或加大銅導體線寬兩個方面來滿足散熱要求。

2．電路熱分析
電路熱分析分為3個步驟：首先估計元器件中產生的熱量，然后估計PCB或散熱片散發的熱量，最后估計元器件將要運行的環境溫度。PCB或散熱器會通過對流、傳導或輻射方式將元器件的熱量散發出去。傳導散熱主要是通過功率器件芯片金屬引線框和PCB上的銅箔來傳導熱量。一旦PCB銅箔或分立散熱片傳導出熱量，就為對流散熱提供了足夠大的將熱量散播到空氣中的表面積。
對流散熱也有一些困難，在高溫下，熱阻會增加，為此采用熱阻作為熱分析參數。元器件數據中給出的若是從結到外界的熱阻Rja，則該值表示的是當元器件未連散熱片或未焊到PCB上時的溫升。熱設計中關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JEDEC標準PCB測量Rja，一個是單面PCB，另一個是多層PCB。如果有Rjb和Rjc規格，可估計元器件的真實溫升。在測量Rja時，PCB上沒有其他芯片，當元器件周圍有電源和其他散發熱量的芯片時，以及當PCB處于一個空間有限的無風扇塑料外殼中時，實際溫升會高于Rja測量給出的值，因為多數元器件的塑料封裝頂面都幾乎不傳送熱量。環氧樹脂塑料的熱傳導能力為0.6～1W/（m·K）（瓦每米開爾文），而銅的導熱能力是400W/（m·K）。因此，銅的導熱能力比塑料高400～600倍。
熱分析中的最后一步是估計環境溫度，這步十分重要。例如，實驗室空氣溫度為25℃，工作臺上的芯片工作在50℃。當將這些芯片放到50℃的環境溫度下，芯片的溫度將達到75℃。但在估計環境溫度步驟中，有時無法確定元器件可能要工作的環境情況。
在分析PCB熱功耗時，一般從以下幾個方面來分析。
（1）電氣功耗，即PCB單位面積上的功耗、PCB上功耗的分布。
（2）PCB的結構，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、PCB與相鄰表面之間的溫差和它們的絕對溫度。
（5）熱傳導，即安裝散熱器、其他安裝結構件的傳導。
（6）熱對流，即自然對流、強迫冷卻對流。
對上述各因素的分析是解決PCB溫升的有效途徑。往往在一個產品和系統中，這些因素是互相關聯和依賴的，大多數因素應根據實際情況來分析，只有針對某一具體實際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數。

3．PCB熱設計的基本要求
在進行PCB設計時，尤其是表面安裝用PCB設計，首先應考慮材料的熱膨脹系數匹配問題。元器件的封裝基板有3類：剛性有機封裝基板、撓性有機封裝基板和陶瓷封裝基板，基板通過模塑技術、模壓陶瓷技術、層壓陶瓷技術和層壓塑料4種方式進行封裝?；逵玫牟牧现饕懈邷丨h氧樹脂、BT樹脂、聚酰亞胺、陶瓷和難熔玻璃等，這些材料耐溫較高，X、Y方向的熱膨脹系數較低。在選擇PCB材料時應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程的溫度變化范圍，選擇熱膨脹系數與之相匹配的基材以降低由材料熱膨脹系數差異引起的熱應力。
許多元器件采用陶瓷封裝基板，它的熱膨脹系數典型值為（5～7）×10-6/℃，無引線陶瓷芯片載體LCCC的熱膨脹系數范圍是（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和耐熱環氧樹脂等。在選擇PCB的基材時應盡量考慮使基材的熱膨脹系數接近于元器件基板材料的熱膨脹系數。

PCB的導線由于通過電流而引起溫升，規定其環境溫度應不超過125℃（常用的典型值，根據選用的基材可能不同）。由于元器件安裝在PCB上也發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設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過125℃。PCB基材盡可能選擇更厚一點的覆銅箔，在特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的基材，采用多層結構也有助于PCB熱設計。
目前廣泛應用的PCB基材是覆銅環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，還有少量的紙基覆銅基材。這些基材雖然具有優良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發熱元器件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹脂傳導熱量，而是從元器件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產品進入部件小型化、高密度安裝、高發熱化組裝的時代，只靠十分小的元器件表面積來散熱是不夠的。同時由于QFP、BGA等表面安裝元器件的大量使用，元器件產生的熱量大量地傳給PCB，因此解決散熱的最好方法是提高與發熱元器件直接接觸的PCB自身的散熱能力，把熱量通過PCB傳導出去或散發出去。

4．PCB熱設計
在PCB熱設計中有3個措施：降耗、散熱和布局。降耗是不讓熱量產生；散熱是把熱量導走或散發出去，不對元器件產生影響；布局是熱量若沒散掉，可通過布局隔離熱敏感元器件。降耗是最根本的解決方法，降額和低功耗設計方案有兩個主要途徑，但需要結合具體的設計進行分析。元器件選型時盡量選用發熱小的元器件，如片狀電阻、繞線電阻（少用碳膜電阻），獨石電容、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，對一些溫度敏感的特型元器件進行溫度補償與控制也是解決問題的辦法之一。
降額需要考慮的是降耗方式，假設一根細導線，標稱能通過10A的電流，電流在其上產生的熱量就較多，把導線加粗，增大余量，標稱通過20A的電流，再通過10A電流時，因為內阻產生的熱損耗就會減小，熱量就小。而且因為采用了降額設計，當環境溫度升高時，在元器件性能下降的情況下，因為有余量，即使性能下降，也能滿足要求。在給定條件下，當電路中元器件溫度上升到超過可靠性保證溫度時，就要采取適當的散熱對策，使其溫度降低到可靠性工作范圍內，這就是進行熱設計的最終目的。
散熱是PCB熱設計的主要內容。對PCB來說，其散熱無外乎3種基本類型：導熱、對流和輻射。導熱和對流是主要散熱手段，常用的散熱方式是用散熱器將熱量從熱源上傳導出來，利用空氣對流散發出去。輻射是利用空間的電磁波運動將熱量散發出去，其散熱量較小，通常作為輔助散熱手段。
PCB熱設計的目的是采取適當的措施和方法降低元器件的溫度和PCB的溫度，使系統在合適的溫度下正常工作。從有利于散熱的角度出發，PCB最好是直立安裝，PCB與PCB之間的距離一般應不小于2cm。

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| 發布時間：2019.06.12    來源：電源適配器廠家
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