PCB的热设计

《现代电子技术) 2002年第8期总第139期工.业0动化收稿日期: 2002 -06-28PCB的热设计Thermal Reliability Design for PCB杜丽华蔡云枝DU LihuaCAI Yunzhi(上海中亚信息产业发展有限公司上海 200233)(中兴通讯上海-所系统部上海200231)Shenghei ZhongYs Corporation, Shenghni. 200233. Chia) (Shunghei No. 1 Insitute ZTE Corportion, Shanghi, 200231. China)要:热分析、鹅设计是提高印制板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识，讨论了PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施。关键词，印制板;热设计:热分析2.4热辐射1热设计的 要性(1)印制板表面的辐射系数;电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功(2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量,使温度;内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备2.5 热传导会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠(1)安装散热器;性将下降。(2)其他安装结构件的传导。SMT使电子设备的安装密度增大,有效散热面积2.6热对流减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计(1)自然对流;的研究显得十分重要。(2)强迫冷却对流。从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升2印制 电路板温升因素分析的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析，的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估随功耗的大小变化。算出温升和功耗等参数。印制板中温升的2种现象:3热设计原则(1)局部温升或大面积温升;(2)短时温升或长时间温升。3.1选材在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分(1)印制板的导线由于通过电流而引起的温升加析。上规定的环境温度应不超过125 C (常用的典型值。根2.1 电气功耗据选用的板材可能不同)。由于元件安装在印制板上也(1)分析单位面积上的功耗;发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板(2)分析PCB板上功耗的分布。设计时应考虑到这些因素,热点温度应不超过125 C.2.2印制板的结 构尽可能选择更厚一点的覆铜箱。(1)印制板的尺寸;(2)特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的(2)印制板的材料。板材。2.3印制板的安装方式(3)采用多层板结构有助于PCB热设计。(1)安装方式(如垂直安装，水平安装);3.2中国煤化工(2)密封情况和离机壳的距离。皮、开窗及散热孔MHCNMHG等技小理业口理双时必然团应道，保证热量顺利导.85PCB的热设计出PCB. .3.4布线时的要求(2)散热通孔的设置(1)板材选择(合理设计印制板结构);设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热(2)布线规则;面积和减少热阻,提高电路板的功率密度。如在L.CCC(3)根据器件电流密度规划最小通道宽度;特别器件的焊盘上设立导通孔。在电路生产过程中焊锡将注意接合点处通道布线;其填充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能(4)大电流线条尽量表面化;在不能满足要求的通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的条件下，可考虑采用汇流排;铜泊散发掉。在-一些特定情况下，专门设计和采用了(5)要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传.有散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料,如导面积;接触平面应平整、光滑，必要时可涂覆导热一些模块电源上采用的印制板。硅脂;(3)导热材料的使用(6)热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条;为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基(7)散热铜皮需采用消热应力的开窗法，利用散材的接触面上使用导热材料，提高热传导效率。热阻焊适当开窗;(4)工艺方法.(8)视可能采用表面大面积铜箝;对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温,(9)对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘，以为了改善散热条件，可以在焊膏中掺人少量的细小铜充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热;料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器(10)尽可能多安放金属化过孔，且孔径、盘面尽件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。量大，依靠过孔帮助散热;(11)器件散热补充手段;3.3元器件的排布要求 .(1)对PCB进行软件热分析,对内部最高温升进(12)采用表面大面积铜箔可保证的情况下，出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法;行设计控制;(2)可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计(13)根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热钢馆面积(保证原则i;≤(0.5~安装在一个印制板上;(3)板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器0.8) tm)。件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流4热仿真(热分析)的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区;热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气(4)使传热通路尽可能的短;性能，帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高(5)使传热横截面尽可能的大;(6)元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影温而烧坏。简单的热分析只是计算PCB的平均温度，响。对热敏感的部件、元器件(含半导体器件)应远复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。离热源或将其隔离;无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件(7) (液态介质)电容器的最好远离热源;建立热模型时多么小心翼翼，热分析的准确程度最终(8)注意使强迫通风与自然通风方向- -致;还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确(9)附加子板、器件风道与通风方向一致;性。在许多应用中重量和物理尺寸非常重要，如果元.(10)尽可能地使进气与排气有足够的距离;件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高,(11)发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件.从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元允许时应处于气流通道上;件功耗值作为根据进行热分析.(12)热量较大或电流较大的元器件不要放置在印与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器计过低，也即元件实际运行时的温度比分析人员预测上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅;的要高，此类问题- -般要通过加装散热装置或风扇对(13)(小信号放大器外围器件)尽量采用温漂小中国煤化工:附件增加了成本，而的器件;|Y片C N M H G人风扇还会给可靠性(14) 尽可能地利用金属机箱或底盘散热。带采一层个稳定因系，因此PCB现在主要采用主动式36(现代电子技术) 2002年第8期总第139期工.业自动化而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散是确定元件的瞬时功耗十分困难。热)，以使元件在较低的温度范围内工作。一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可额定和最差状况分析。靠性，这在所有PCB设计中都可能发生，花费一些功PCB受到各种类型热量的影响，可以应用的典型夫准确确定元件功耗，再进行PCB热分析，这样有助热边界条件包括:于生产出小巧且功能性强的产品。应使用准确的热模前后表面发出的自然或强制对流;型和元件功耗，以免降低PCB设计效率。前后表面发出的热辐射;.1 元件功耗计算.从PCB边缘到设备外壳的传导;准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导;的过程，PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导;耗功率，热分析人员则需要知道功率损耗以便输人到2个PCB夹层之间散热器的传导。热模型中。设计人员先猜测一个元件工作环境温度或目前有很多种形式的热模拟工具，基本热模型及从初步热分析中得出估计值，并将元件功耗输人到细分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流化的热模型中,计算出PCB和相关元件“结点”(或热程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具，以及用点)的温度,第二步使用新温度重新计算元件功耗，算于详细PCB和元件建模的PCB应用工具。出的功耗再作为下一步热分析过程的输人。在理想的4.2基本过程情况下，该过程一直进行下去直到其数值不再改变为在不影响并有助于提高系统电性能指标的前提上。下，依据提供的成熟经验，加速PCB热设计。然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务在系统及热分析预估及器件级热设计的基础上，的压力，他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件通过板级热仿真预估热设计结果，寻找设计缺陷，并电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB提供系统级解决方案或变更器件级解决方案。的总功耗,将其作为-个作用于整个PCB表面的均匀通过热性能测量对热设计的效果进行检验，对方热流通量。热分析可预测出平均环境温度，使设计人案的适用性和有效性进行评价;员用于计算元器件的功耗，通过进-步重复计算元件通过预估一设计-测量-反馈循环不断的实践流温度知道是否还需要作其他工作。程，修正并积累热仿真模型，加快热仿真速度,提高-般电子元器件制造商都提供有元器件规格，包热仿真精度;补充PCB热设计经验。括正常工作的最高温度。元件性能通常会受环境温度4.3 板级热仿真或元件内部温度的影响，消费类电子产品常采用塑封板级热仿真软件可以在三维结构模型中模拟PCB元件，其工作最高温度是85 C;而军用产晶常使用陶的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流瓷件，工作最高温度为125 C,额定最高温度通常是.体速度和运动矢量，也可以模拟强迫散热、真空状态105C。PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度或自然散热等。目前可做板级热分析比较典型的软件/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。有Flotherm, Betasoft 等等。计算元件温度最准确的方法是作瞬态热分析，但Abstract: The reliable thermal analysis and design is an important measure to improving the PCB's reliability. Based on thebasic knowledge of thermal design. the question of selecting the cooling plan and the specific technical measure of thermal analysisand design are discussed.Keywords: PCB; thermal design; thermal analysis作者筒介杜丽华 女， 汉族，1964.9生，河北唐山人，1989 年毕业于西北师范大学夜大学数学系，应用数学专业，学士学位，工程师，现俣职于上海中亚信息产业发展有限公司。蔡云枝男。 汉族，1964.11生，甘肃陇西人，1988年毕业于西安交通大学信息与控制工程系，无线电技术专业，学士学位，高级工程师，现供职于中兴通讯上海一所。中国煤化工YHCNMHG87