PCB熱設計的具體方法

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PCB熱設計的具體方法

電源適配器在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大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，設備會繼續升溫，器件就會因過熱失效，電源適配器的可靠性將下降。
電源適配器進行PCB的熱設計時，在考慮以上的基本要求后，根據電源適配器電路的特點有針對性地采取措施，具體方法通常有以下幾種。
（1）通過PCB板本身散熱。目前廣泛應用的PCB板材是覆銅／環氧玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材，還有少量使用的紙基覆銅板材。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，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產品已進入到部件小型化、高密度安裝、高發熱化組裝時代，若只靠表面積十分小的元件表面來散熱是非常不夠的。同時由于QFP、BGA等表面安裝元件的大量使用，元器件產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熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過PCB板傳導出去或散發出去。

（2）根據電源適配器焊接要求和PCB基材的耐熱性，選擇耐熱性好、熱膨脹系數較小或與元器件熱膨脹系數相適應的PCB基材，盡量減小元器件與PCB基材之間的熱膨脹系數相對差。基材的玻璃化轉變溫度（Tg）是衡量基材耐熱性的重要參數。基材的Tg低，熱膨脹系數就大，特別是在Z方向（板的厚度方向）膨脹更為明顯，容易使鍍覆孔損壞；基材的Tg高，一般膨脹系數小，耐熱性相對較好，但是Tg過高基材就會變脆，機械加工性下降，選材時要兼顧基材的綜合性能。

（3）加大電源適配器PCB上與大功率元器件接地散熱面的銅箔面積。如果采用寬的印制導線作為發熱元器件的散熱面，則應選擇銅箔較厚的基材，熱容量大，利于散熱。但是為防止銅箔過熱起泡、板翹曲，在不影響電性能的情況下，元器件下面的大面積銅箔最好設計成網狀，如圖所示。
（4）對于PCB表面寬度不小于3mm的電源適配器，在波峰焊接或再流焊接過程中會增加導體層起泡、板翹曲的可能性。為了避免和減少這些熱效應的作用，設計電源適配器時應考慮在不影響電磁兼容性的情況下，對直徑大于25mm的導電面積采用開窗的方法設計成網狀結構。在導電面積上焊接時采用熱隔離措施，可以防止因為過熱而使PCB基材銅箔鼓脹、變形。
（5）PCB的焊接面不宜設計大的導電面積。如果需要有大的導電面積，則應設計成網狀，以防止焊接時因為大的導電面積熱容大、吸熱過多延長焊接的加熱時間，而引起銅箔起泡或與基材分離，并且表面應有阻焊層覆蓋，避免焊料潤濕導電面積。
（6）PCB布局時應將電解電容、熱敏電阻等對熱敏感元器件或怕熱元器件遠離大功率發熱元器件。
（7）發熱量過大的元器件應外加散熱器或散熱板。散熱板的材料應選擇熱導率高的鋁或銅，為了減少元器件與散熱器之間的熱阻，必要時可以涂覆導熱絕緣脂。對于體積小而發熱量大的元器件，可以將元器件的接地外殼通過導熱絕緣脂與金屬外殼接觸散熱。
（8）對于大的導電面積和多層有內層地線的PCB，應設計成網狀并靠近PCB的邊緣，可以降低因為導電面積過熱而引起的銅箔鼓泡、起翹或多層板的內層分層。
（9）對于功率大的電源適配器PCB，應選擇與元器件載體材料熱膨脹系數相匹配的基材或采用金屬芯PCB。
（10）對于特大功率的電源適配器元器件，利用熱管技術通過傳導冷卻的方式給元器件散熱。對于在高真空條件下工作的PCB，因為沒有空氣，不存在熱的對流傳遞，采用熱管技術是一種有效的散熱方式。
（11）對于在低溫下長期工作的PCB，應根據溫度范圍和元器件的工作溫度要求，采取適當的升溫措施。
（12）對于面積較大的連接盤（焊盤）和大面積銅箔（大于φ25mm）上的焊點，應設計焊盤隔熱環，在保持焊盤與大的導電面積電氣連接的同時，將焊盤周圍部分導體蝕刻掉形成隔熱區。電連接通道的寬度也應該適當，連接通道過窄會影響載流量，連接通道過寬會失去熱隔離的效果。連接通道的寬度應為連接盤（焊盤）直徑的60％與通道數的商，目的是使熱量集中在焊盤上，保證焊點的質量。在焊接時還應減少焊接時間，以防止其余的大面積銅箔因熱傳導過快、受熱時間過長而引起銅箔起泡、鼓脹等現象。
（13）避免PCB上熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
以如圖所示的圖形為例，有兩條連接通道，則通道寬度為焊盤直徑的60％除以2。假設連接盤直徑為0.8mm（設計值加制造公差），則連接通道的總寬度為0.8×60％＝0.48mm。有兩條通道，則每條寬度為0.48/2＝0.24mm；有3條通道，則每條寬度為0.48/3＝0.16mm；有4條通道，則每條寬度為0.48/4＝0.12mm。

圖連接盤上的隔熱環

如果計算出電源適配器每條連接通道的寬度小于制造工藝的極限值，則應減少通道數量，使連接通道寬度達到可制造的要求。例如，計算4條通道每條通道的寬度為0.12mm時，有的電源適配器生產商制造工藝達不到，就可以改為3條通道，通道寬度為0.16mm，一般電源適配器生產商都可以制造。
（14）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經濟性考慮可不采用附加散熱器的方法；外加的散熱器應與PCB的接地面相接觸。除用必要的機械連接外，應在散熱器與接地面之間或絕緣墊之間涂覆導熱脂，用以減少熱阻，提高散熱效果。
（15）在電源適配器PCB布局時，應在板上留出通風散熱的通道，如圖1-6所示。通風入口處不能設置過高的元器件，以免影響散熱。對于采用自由對流空氣冷卻的設備，最好是將集成電路（或其他器件）按縱長方式排列，或按橫長方式排列。充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。
（16）要盡量降低接觸面的熱阻。為此應加大熱傳導面積；接觸平面應平整光滑，必要時可涂覆導熱硅脂。

電源適配器