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PCB電路板熱可靠性的設(shè)計(jì)

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時(shí)間:2010/7/27

摘 要:熱分析、熱設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施。基于熱設(shè)計(jì)的基本知識(shí),討論了
PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞:印制板;熱設(shè)計(jì);熱分析  

1熱設(shè)計(jì)的重要性
 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(duì)熱
設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。 

2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:
 (1)局部溫升或大面積溫升;
 (2)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。 
2.1電氣功耗
 (1)分析單位面積上的功耗;
 (2)分析PCB板上功耗的分布。 
2.2印制板的結(jié)構(gòu)
 (1)印制板的尺寸;
 (2)印制板的材料。 
2.3印制板的安裝方式
 (1)安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);
 (2)密封情況和離機(jī)殼的距離。 
2.4熱輻射
 (1)印制板表面的輻射系數(shù);
 (2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對(duì)溫度; 
2.5熱傳導(dǎo)
 (1)安裝散熱器;
 (2)其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。 
2.6熱對(duì)流
 (1)自然對(duì)流;
 (2)強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。
 從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(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熱設(shè)計(jì)原則 
3.1選材
 (1)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。
 (2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
 (3)采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì)。 
3.2保證散熱通道暢通
 (1)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。
 (2)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)置的銅泊散發(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。
 (3)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。
 (4)工藝方法 
對(duì)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(duì)流
散熱。 
3.3元器件的排布要求
 (1)對(duì)PCB進(jìn)行軟件熱分析,對(duì)內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制;
 (2)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;
 (3)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);
 (4)使傳熱通路盡可能的短;
 (5)使傳熱橫截面盡可能的大;
 (6)元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響。對(duì)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;
 (7)(液態(tài)介質(zhì))電容器的最好遠(yuǎn)離熱源;
 (8)注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致;
 (9)附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;
 (10)盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;
 (11)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;
 (12)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;
 (13)(小信號(hào)放大器外圍器件)盡量采用溫漂小的器件;
 (14)盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。 
3.4布線時(shí)的要求
 (1)板材選擇(合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu));
 (2)布線規(guī)則;
 (3)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;
 (4)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;
 (5)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;
 (6)熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條;
 (7)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;
 (8)視可能采用表面大面積銅箔;
 (9)對(duì)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;
 (10)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;
 (11)器件散熱補(bǔ)充手段;
 (12)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;
 (13)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)。

4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)?BR>高溫而燒壞。簡單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度,復(fù)雜的則要對(duì)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(duì)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(cè)的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)
扇對(duì)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(duì)
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。 
4.1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(cè)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)橹埂?BR> 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(cè)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(duì)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。 
4.2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(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過板級(jí)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(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案。
 通過熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià);
 通過預(yù)估-設(shè)計(jì)-測(cè)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)。 
4.3板級(jí)熱仿真
 板級(jí)熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓
力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等。目前可做板級(jí)熱分析比
較典型的軟件有Flotherm,Betasoft等等。

Tags:電路板,熱可靠性,設(shè)計(jì)  
責(zé)任編輯:admin
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