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pcb电路板散热(re)功能设计(ji)

time : 2019-05-15 10:14       作者:凡亿pcb

电子设备在工作期间所消耗的电能,比如射频功放,FPGA芯片,电源类产品,除了有用功外,大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量,使内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。SMT使电子设备的安装密度增大,有效散热面积减小,设备温升严重地影响可靠性,因此,对热设计的研究显得十分重要。
搞射频的兄弟有(you)柴,这样(yang)散热也(ye)行?
对于PCB电路板的散热是一个非常重要的环节,那么PCB电路板散热技巧是怎样的,下面我们一起来讨论下。
对于电子设备来说,工作时都会产生一定的热量,从而使设备内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发出去,设备就会持续的升温,器件就会因过热而失效,电子设备的可靠性能就会下降。因此,对电路板进行很好的散热处理是非常重要的。
pcb
引起印制板(ban)温升的(de)直接原(yuan)因是由于电路(lu)功耗(hao)器件(jian)的(de)存在,电子器件(jian)均不(bu)同(tong)程度地存在功耗(hao),发热强(qiang)度随功耗(hao)的(de)大小变化。
印制板中温(wen)升的 2 种现象:
(1) 局(ju)部(bu)温(wen)升(sheng)或大(da)面积(ji)温(wen)升(sheng);
(2) 短时(shi)(shi)温(wen)升或长(zhang)时(shi)(shi)间温(wen)升。 在分析(xi)(xi) PCB 热功(gong)耗时(shi)(shi),一(yi)般从以下几个方面来(lai)分析(xi)(xi)。
2.1 电气功耗(hao)
(1)分析单位面(mian)积上的(de)功(gong)耗(hao);
(2)分析 PCB 板上(shang)功(gong)耗的分布。
2.2 印制板的(de)结构
(1)印制板(ban)的尺寸;
(2)印制板的材料(liao)。
2.3 印制板的安(an)装方式
(1)安装方式(shi)(如垂直安装,水(shui)平安装);
(2)密封(feng)情况和离机壳(qiao)的距离。
2.4 热(re)辐射
(1)印制板表面的辐射(she)系(xi)数;
(2)印制(zhi)板与相(xiang)邻表(biao)面(mian)之间的(de)温(wen)(wen)差和他们(men)的(de)绝对温(wen)(wen)度
2.5 热传(chuan)导
(1)安装散热器;
(2)其他安(an)装(zhuang)结构(gou)件的传导。
2.6 热对流
(1)自然对流;
(2)强迫冷却对流。
从 PCB上述(shu)各因素(su)(su)的(de)分析(xi)是解决印制板(ban)的(de)温升(sheng)的(de)有效途(tu)径,往往在一个产品和系统中这些(xie)因素(su)(su)是互相(xiang)关(guan)联和依赖的(de),大多(duo)数因素(su)(su)应(ying)根(gen)据实际情况来分析(xi),只(zhi)有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算(suan)或(huo)估算(suan)出温升(sheng)和功耗等参数。
1 通(tong)过(guo)PCB板(ban)本身散热(re)
目(mu)前(qian)广(guang)泛(fan)应(ying)用的PCB板材(cai)是覆铜(tong)/环氧玻(bo)璃布基材(cai)或(huo)酚醛(quan)树(shu)脂玻(bo)璃布基材(cai),还有(you)(you)少量使用的纸基覆铜(tong)板材(cai)。这些基材(cai)虽然(ran)具有(you)(you)优良的电气性能(neng)(neng)和加工(gong)性能(neng)(neng),但散(san)(san)热(re)(re)(re)性差,作为(wei)高(gao)发(fa)(fa)热(re)(re)(re)元件的散(san)(san)热(re)(re)(re)途径,几乎(hu)不(bu)能(neng)(neng)指望(wang)由PCB本(ben)身树(shu)脂传导热(re)(re)(re)量,而是从元件的表(biao)面向周围(wei)空气中散(san)(san)热(re)(re)(re)。但随着电子产品(pin)已进入(ru)到部(bu)件小型化、高(gao)密度安装(zhuang)、高(gao)发(fa)(fa)热(re)(re)(re)化组装(zhuang)时代,若只靠表(biao)面积十分小的元件表(biao)面来散(san)(san)热(re)(re)(re)是非常不(bu)够的。
同时(shi)由于QFP、BGA等表面安(an)装元件(jian)的(de)大(da)(da)量(liang)使用,元器件(jian)产生的(de)热(re)量(liang)大(da)(da)量(liang)地传(chuan)给PCB板,因此,解(jie)决(jue)散(san)热(re)的(de)最好方法是提高与发热(re)元件(jian)直接(jie)接(jie)触的(de)PCB自身的(de)散(san)热(re)能(neng)力,通过PCB板传(chuan)导出去或散(san)发出去。
2 高发热器(qi)件加散热器(qi)、导热板
当(dang)PCB中(zhong)有少数器(qi)件(jian)发热量较(jiao)大时(少于3个)时,可在(zai)发热器(qi)件(jian)上加散(san)热器(qi)或(huo)导热管,当(dang)温(wen)度(du)还不(bu)能(neng)降下来时,可采用(yong)带(dai)风扇的散(san)热器(qi),以(yi)增强散(san)热效果。
当发热(re)器(qi)件(jian)量(liang)较(jiao)多时(多于3个(ge)),可采用(yong)大的散(san)热(re)罩(板),它是(shi)(shi)按(an)PCB板上发热(re)器(qi)件(jian)的位置(zhi)和高低而定制的专(zhuan)用(yong)散(san)热(re)器(qi)或是(shi)(shi)在一个(ge)大的平板散(san)热(re)器(qi)上抠出不同的元件(jian)高低位置(zhi)。
将散(san)热罩整体扣在元(yuan)(yuan)件面上,与每个元(yuan)(yuan)件接触而散(san)热。但由于元(yuan)(yuan)器件装焊时高低(di)一致性差(cha),散(san)热效果并不好。通常(chang)在元(yuan)(yuan)器件面上加柔软(ruan)的热相(xiang)变导热垫(dian)来(lai)改善散(san)热效果。
3 对(dui)于采(cai)用自(zi)由对(dui)流空(kong)气冷却的(de)设备,最好是将集成电(dian)路(lu)(或(huo)其他器件)按(an)纵(zong)长方式排(pai)列,或(huo)按(an)横长方式排(pai)列。
4 采(cai)用合理的走线设计实(shi)现散热
由于板材中的树(shu)脂(zhi)导(dao)热性(xing)差,而(er)铜(tong)箔线路和(he)孔是热的良导(dao)体(ti),因(yin)此(ci)提高铜(tong)箔剩余率(lv)和(he)增加导(dao)热孔是散热的主要手段。
评(ping)价(jia)PCB的(de)(de)散热(re)(re)能力,就需要(yao)对由导热(re)(re)系数不同的(de)(de)各(ge)种(zhong)材料(liao)构(gou)成的(de)(de)复合材料(liao)一(yi)一(yi)PCB用绝缘基板的(de)(de)等效导热(re)(re)系数(九eq)进行计算。
5 同一块印制板上的(de)器(qi)件应(ying)尽可能按(an)其(qi)发热量大小(xiao)及(ji)散热程度分区排列,发热量小(xiao)或耐热性差的(de)器(qi)件(如(ru)小(xiao)信号晶体管(guan)、小(xiao)规(gui)模(mo)集成电路、电解电容等)放(fang)在冷(leng)却(que)气流(liu)的(de)最上流(liu)(入(ru)口处(chu)),发热量大或耐热性好的(de)器(qi)件(如(ru)功率(lv)晶体管(guan)、大规(gui)模(mo)集成电路等)放(fang)在冷(leng)却(que)气流(liu)最下游。
6 在(zai)(zai)水(shui)平方(fang)向(xiang)上(shang),大(da)功(gong)率器(qi)件尽量(liang)靠(kao)近印制(zhi)板(ban)边沿布置,以(yi)便(bian)缩短传热路径;在(zai)(zai)垂(chui)直方(fang)向(xiang)上(shang),大(da)功(gong)率器(qi)件尽量(liang)靠(kao)近印制(zhi)板(ban)上(shang)方(fang)布置,以(yi)便(bian)减少(shao)这(zhei)些(xie)器(qi)件工作时(shi)对其他器(qi)件温度的影响。
7 设(she)备内印制板(ban)(ban)的散热(re)主要依靠空(kong)(kong)气流(liu)(liu)动(dong)(dong)(dong),所以在设(she)计时要研究空(kong)(kong)气流(liu)(liu)动(dong)(dong)(dong)路径,合理配(pei)(pei)置器件(jian)或印制电(dian)路板(ban)(ban)。空(kong)(kong)气流(liu)(liu)动(dong)(dong)(dong)时总是趋向于(yu)阻力小的地方流(liu)(liu)动(dong)(dong)(dong),所以在印制电(dian)路板(ban)(ban)上配(pei)(pei)置器件(jian)时,要避免在某个区域(yu)留有(you)较大(da)的空(kong)(kong)域(yu)。整机中多块印制电(dian)路板(ban)(ban)的配(pei)(pei)置也应注意同样的问题。
8 对温(wen)度比较敏感的(de)器件(jian)最(zui)好安置在温(wen)度最(zui)低的(de)区域(如设(she)备的(de)底部),千万(wan)不要将它放(fang)在发热器件(jian)的(de)正上方,多个器件(jian)最(zui)好是在水平面上交错(cuo)布局。
9 将功耗最高和发(fa)热最大的(de)器件(jian)(jian)布置(zhi)(zhi)在(zai)(zai)散(san)热最佳位置(zhi)(zhi)附近(jin)。不要将发(fa)热较高的(de)器件(jian)(jian)放置(zhi)(zhi)在(zai)(zai)印制板的(de)角(jiao)落(luo)和四周边缘,除非(fei)在(zai)(zai)它的(de)附近(jin)安(an)排有散(san)热装置(zhi)(zhi)。在(zai)(zai)设(she)计功率电阻时尽可能选择大一(yi)些(xie)的(de)器件(jian)(jian),且在(zai)(zai)调(diao)整印制板布局时使之有足够(gou)的(de)散(san)热空间。
10 射频功放或者LED PCB采用金属(shu)底座(zuo)基板。
11避免PCB上(shang)热(re)(re)(re)点的集(ji)中(zhong),尽(jin)可能(neng)地(di)将功率(lv)均匀(yun)地(di)分(fen)布在PCB板上(shang),保持PCB表面温度性能(neng)的均匀(yun)和一(yi)致。往往设计过程中(zhong)要(yao)达(da)到(dao)严格(ge)的均匀(yun)分(fen)布是较为(wei)困难的,但一(yi)定要(yao)避免功率(lv)密度太高的区(qu)域(yu),以免出现(xian)过热(re)(re)(re)点影响整个电路的正常工作。如果有条件(jian)的话,进行(xing)印制电路的热(re)(re)(re)效能(neng)分(fen)析是很有必要(yao)的,如现(xian)在一(yi)些专业(ye)PCB设计软(ruan)件(jian)中(zhong)增加的热(re)(re)(re)效能(neng)指标分(fen)析软(ruan)件(jian)模(mo)块,就可以帮助设计人员优化电路设计。
电路板
4.1 选材
(1)印制板(ban)的(de)导线由(you)于通过(guo)电流而(er)引(yin)起(qi)的(de)温升(sheng)加上规定的(de)环境温度应不(bu)(bu)超(chao)过(guo) 125 ℃(常用的(de)典型值。根据(ju)选用的(de)板(ban)材(cai)可(ke)能不(bu)(bu)同)。由(you)于元件安装在(zai)印制板(ban)上也发出一(yi)部分热(re)量,影响工作温度,选择(ze)材(cai)料和(he)印制板(ban)设计时应考虑(lv)到这些(xie)因素,热(re)点温度应不(bu)(bu)超(chao)过(guo) 125 ℃。尽(jin)可(ke)能选择(ze)更(geng)厚一(yi)点的(de)覆铜箔。
( 2 )特殊情况下可选择铝基、陶瓷(ci)基等热阻小的板材。
(3) 采用多层板(ban)结构有助于 PCB 热设(she)计。
4.2保(bao)证散热通道畅通
(1)充分利(li)用元器件排(pai)布、铜皮、开窗及散热(re)孔等技(ji)术建立合理(li)有效的低热(re)阻通道,保证(zheng)热(re)量顺利(li)导出 PCB。
(2)散(san)热(re)(re)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)设置 设计一些(xie)散(san)热(re)(re)通(tong)(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)和盲(mang)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong),可以有效地提高散(san)热(re)(re)面(mian)积(ji)和减少热(re)(re)阻,提高电路板的(de)功率密度。如在 LCCC 器件的(de)焊(han)盘上设立(li)导通(tong)(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)。在电路生(sheng)产过程(cheng)中(zhong)焊(han)锡将(jiang)其填(tian)充,使导热(re)(re)能力提高,电路工(gong)作时产生(sheng)的(de)热(re)(re)量能通(tong)(tong)过通(tong)(tong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)或盲(mang)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)迅速地传至金属(shu)散(san)热(re)(re)层或背面(mian)设置的(de)铜(tong)泊散(san)发掉。在一些(xie)特定情况下,专门设计和采用(yong)了有散(san)热(re)(re)层的(de)电路板,散(san)热(re)(re)材(cai)(cai)料一般为(wei)铜(tong)/钼等材(cai)(cai)料,如一些(xie)模(mo)块(kuai)电源上采用(yong)的(de)印制板。
(3)导(dao)(dao)热(re)材(cai)料(liao)的(de)使用 为了减(jian)少(shao)热(re)传(chuan)导(dao)(dao)过程(cheng)的(de)热(re)阻,在(zai)高(gao)功耗器件与基材(cai)的(de)接触面(mian)上使用导(dao)(dao)热(re)材(cai)料(liao),提高(gao)热(re)传(chuan)导(dao)(dao)效率。
(4)工(gong)艺方法 对一些(xie)双面装有(you)器(qi)件的区域容易引起局(ju)部高温(wen),为(wei)了(le)改善散(san)(san)热条件,可以在焊(han)膏中掺入少(shao)量(liang)的细小铜料,再流焊(han)后在器(qi)件下(xia)方焊(han)点就有(you)一定的高度。使(shi)器(qi)件与印制板间(jian)的间(jian)隙(xi)增加,增加了(le)对流散(san)(san)热。
4.3元器件的排布要求
(1)对(dui) PCB进(jin)行(xing)软件热(re)分析(xi),对(dui)内部(bu)最高温升进(jin)行(xing)设(she)计控(kong)制;
(2)可(ke)以(yi)考虑把发热高、辐射(she)大的元件专门设计安装在一(yi)个(ge)印制(zhi)板上;
(3)板面热(re)容(rong)量均(jun)匀(yun)分(fen)布(bu),注意不要把(ba)大功(gong)耗器(qi)件集中布(bu)放,如无法避免,则(ze)要把(ba)矮(ai)的元件放在气流(liu)的上游,并保证足(zu)够的冷却风量流(liu)经热(re)耗集中区;
(4)使传热通(tong)路(lu)尽可能的短;
(5)使传热横(heng)截(jie)面尽可能的(de)大;
(6)元(yuan)器件布(bu)局(ju)应(ying)(ying)考虑到(dao)对(dui)周围零(ling)件热(re)辐射的影响。对(dui)热(re)敏(min)感(gan)的部件、元(yuan)器件(含半导(dao)体器件)应(ying)(ying)远(yuan)离(li)热(re)源或将其隔离(li);
(7)(液态介(jie)质(zhi))电容器的最好(hao)远离热源;
(8)注意使强迫通(tong)风与自然(ran)通(tong)风方向一致;
(9)附加子板、器件(jian)风(feng)道与通(tong)风(feng)方向一致(zhi);
(10)尽可能(neng)地使进气与排气有足够(gou)的距离(li);
(11)发热器件应(ying)尽可能(neng)地置于产(chan)品的上(shang)方,条件允许时(shi)应(ying)处(chu)于气(qi)流通道上(shang);
(12)热(re)量较(jiao)大或电流较(jiao)大的(de)元器(qi)件(jian)(jian)不要(yao)放(fang)置在印制板的(de)角(jiao)落和四(si)周边缘,只要(yao)有可能(neng)应安装于散热(re)器(qi)上,并(bing)远离(li)其他(ta)器(qi)件(jian)(jian),并(bing)保证散热(re)通道通畅;
(13)(小信号放大器(qi)外围(wei)器(qi)件)尽量采用温漂小的器(qi)件;
(14)尽可能地利用(yong)金属机箱或底盘散热。
4.4布线(xian)时的要(yao)求(qiu)
(1)板(ban)材选(xuan)择(合理设(she)计印制板(ban)结构);
(2)布线规(gui)则(ze);
(3)根(gen)据器(qi)件(jian)电流密度(du)规划最小通(tong)道(dao)(dao)宽度(du);特(te)别注意接(jie)合点处通(tong)道(dao)(dao)布线;
(4)大电流线条尽量表面化(hua);在不能满足要求的条件下(xia),可考虑采(cai)用汇(hui)流排;
(5)要尽(jin)量降低接触(chu)面(mian)的热阻。为此应加(jia)大热传导(dao)面(mian)积;接触(chu)平面(mian)应平整光滑,必要时(shi)可涂覆导(dao)热硅脂(zhi);
(6)热应(ying)力(li)点考虑(lv)应(ying)力(li)平衡(heng)措施(shi)并加(jia)粗(cu)线(xian)条(tiao);
(7)散热(re)铜皮(pi)需采用消热(re)应力的开(kai)(kai)窗(chuang)法(fa),利用散热(re)阻焊适当开(kai)(kai)窗(chuang);
(8)视可能采用(yong)表(biao)面大面积铜箔;
(9)对(dui)印(yin)制板上的接地(di)安装(zhuang)孔采用较大(da)焊盘,以充分利(li)用安装(zhuang)螺栓和印(yin)制板表面的铜箔进行散热(re);
(10)尽(jin)可(ke)能多安(an)放(fang)金(jin)属化过孔, 且孔径、盘面尽(jin)量大,依(yi)靠(kao)过孔帮(bang)助散(san)热;
(11)器件散热补充手段;
(12)采(cai)用表(biao)面大面积铜(tong)箔可(ke)保证(zheng)的(de)情况下,出于(yu)经济(ji)性考虑可(ke)不(bu)采(cai)用附(fu)加散热器(qi)的(de)方法(fa);
(13)根(gen)据器件功耗(hao)、环境温度及允许(xu)最大结(jie)温来计算(suan)合适的(de)表面散(san)热铜(tong)箔面积(保证(zheng)原则tj≤(0.5~0.8)tjmax)。