【導(dǎo)讀】電源產(chǎn)品電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能,除了有用功外,大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(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),設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫,器件就會(huì)因過熱失效,電子設(shè)備的可靠性將下降。
SMT(表面封裝技術(shù))使電子設(shè)備的安裝密度增大,有效散熱面積減小,設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性,因此,對熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。
印制電路板溫升因素分析
引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在,電子器件均不同程度地存在功耗,發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。印制板中溫升的2種現(xiàn)象:局部溫升或大面積溫升;短時(shí)溫升或長時(shí)間溫升。
在分析PCB熱功耗時(shí),一般從以下幾個(gè)方面來分析:
電氣功耗:分析單位面積上的功耗;分析PCB板上功耗的分布。
印制板的結(jié)構(gòu):印制板的尺寸;印制板的材料。
印制板的安裝方式:安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);密封情況和離機(jī)殼的距離。
熱輻射:印制板表面的輻射系數(shù);印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度。
熱傳導(dǎo):安裝散熱器;其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。
熱對流:自然對流;強(qiáng)迫冷卻對流。
PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑,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)和依賴的。大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析,只有針對某一具體實(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)。
熱設(shè)計(jì)原則
選 材
印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125 ℃(常用的典型值。根據(jù)選用的板材可能不同)。
由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量,影響工作溫度,選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素,熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125 ℃,盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔。
特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì)。
保證散熱通道暢通
充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導(dǎo)出PCB。
散熱通孔的設(shè)置 :設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔,可以有效地提高散熱面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度。
如在LCCC器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充,使導(dǎo)熱能力提高,電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅箔散發(fā)掉。在一些特定情況下,專門設(shè)計(jì)和采用了有散熱層的電路板,散熱材料一般為銅/鉬等材料,如一些模塊電源上采用的印制板。
導(dǎo)熱材料的使用 :為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料,提高熱傳導(dǎo)效率。
工藝方法 :對一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫,為了改善散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料,再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。
使器件與印制板間的間隙增加,增加了對流散熱。
元器件的排布要求
對PCB進(jìn)行軟件熱分析,對內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制;
可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)印制板上;
板面熱容量均勻分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如無法避免,則要把矮的元件放在氣流的上游,并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū);
使傳熱通路盡可能的短;
使傳熱橫截面盡可能的大;
元器件布局應(yīng)考慮到對周圍零件熱輻射的影響。對熱敏感的部件、元器件(含半導(dǎo)體器件)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x;
液態(tài)介質(zhì)電容器最好遠(yuǎn)離熱源;
注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致;
附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;
盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;
發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方,條件允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上;
熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣,只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上,并遠(yuǎn)離其他器件,并保證散熱通道通暢;
小信號放大器外圍器件盡量采用溫漂小的器件;
盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。
布線時(shí)的要求
板材選擇(合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu));
布線規(guī)則;
根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度;特別注意接合點(diǎn)處通道布線;
大電流線條盡量表面化;在不能滿足要求的條件下,可考慮采用匯流排;
要盡量降低接觸面的熱阻。為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積;接觸平面應(yīng)平整、光滑,必要時(shí)可涂 覆導(dǎo)熱硅脂;
熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條;
散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法,利用散熱阻焊適當(dāng)開窗;
視可能采用表面大面積銅箔;
對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱;
盡可能多安放金屬化過孔,且孔徑、盤面盡量大,依靠過孔幫助散熱;
器件散熱補(bǔ)充手段;
采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法;
根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax)。
熱仿真/熱分析
熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能,幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎?。簡單的熱分析只是?jì)算PCB的平均溫度,復(fù)雜的則要對含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。
無論分析人員在對電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼,熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性。
在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的實(shí)際功耗很小,可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高,從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析。
與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過低,也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對PCB進(jìn)行冷卻來解決。
這些外接附件增加了成本,而且延長了制造時(shí)間,在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素,因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對流、傳導(dǎo)及輻射散熱),以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作。
熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性,這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生,花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗,再進(jìn)行PCB熱分析,這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗,以免降低PCB設(shè)計(jì)效率。
元件功耗計(jì)算
準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過程,PCB設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率,熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。
設(shè)計(jì)人員先猜測一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值,并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中,計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入。
在理想的情況下,該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?。然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力,他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作。
一個(gè)簡化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預(yù)測出平均環(huán)境溫度,使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗,通過進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要作其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格,包括正常工作的最高溫度。
元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響,消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件,其工作最高溫度是85 ℃;而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件,工作最高溫度為125 ℃,額定最高溫度通常是105 ℃。PCB設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。
計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析,但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。
PCB受到各種類型熱量的影響,可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括:前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對流,前后表面發(fā)出的熱輻射,從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo),通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo),從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo),2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)。
目前有很多種形式的熱模擬工具,基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具,以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具。
基本過程
在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下,依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn),加速PCB熱設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過板級熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果,尋找設(shè)計(jì)缺陷,并提供系統(tǒng)級解決方案或變更器件級解決方案。
通過熱性能測量對熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn),對方案的適用性和有效性進(jìn)行評價(jià)。通過預(yù)估-設(shè)計(jì)-測量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程,修正并積累熱仿真模型,加快熱仿真速度,提高熱仿真精度,補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。