印制电路板的热设计和热分析

现代电子技术》2007年第18期总第257期P集成电路印制电路板的热设计和热分析张世欣,高进,石晓邡(中国空空导弹研究院河南洛阳471009)摘要:热设计和热分析是提高印制电路板热可靠性的重要方法,基于热设计和热分析的基本理论,结合近几年的印制电路板设计经脸,从元器件的使用、印制板的选衬、构造、元器件的安茉和布局和其他要求等方面讨论了印飼电路板热设计的具体措施和方法,并简要地介绍了印制电路板菇分析的概念、主要技术和主要作用关键词:印制电路板;热设计;热分析;热阻;热流密度中图分类号;TN710文献标识码:B文章编号:1004-373X(2007)18-189-04Thermal Design and Analysis for PCBZHANG Shixin, GAo Jin, SHI Xiaoyu(China Airherne Missile Academy, Luoyang, 471009, ChinaAbstract: Thermal design and analysis is an important method to improve PCB's thermal reliability. Based on the basic the-ory of thermal design and analysis, along with the pCb design experience which is acquired by the author in recent years. Thisarticle discusses the specific technique in several areas of PCB's thermal design, such asent selection, material for PcBfabricating, placement and installation of components, also introduces concisely the concepts, main technique and function usedin thermal analysis of PCB.Keywords: PCB; thermal design; thermal analysis; thermal resistance: thermal current density2热设计基本理论统计数据表明55%的电子产品失效与过高的热环境热设计的理论基础是传热学和流体力学,凡有温差的应力有关。较严酷的热环境应力对大多数电子产品的地方就有热量的传递,热量总是从高温区流向低温区。热正常工作产生严重的影响,导致电子元器件加速失效,从传递有导热、对流和辐射3种方式而引起整个产品的失效。近年来,随着大规模、超大规模传热的基本计算公式为:集成电路和表面贴装技术的应用,电子产品向小型化、高=KA△t密度、高叮靠性方向发展,尤其在航空航天领域,高度集成式中:9为热流量单位为W;K为总传热系数单位为性、高度精确性、高度复杂性和极其狭小的空间等特点,使W/(m2·K);A为传热面积单位为m2;△t为热流体与冷流得对电子系统热设计的要求也越来越高,热已成为影响其体之间的温差单位为K印制电路板热设计就是利用热的传递特性,通过冷却性能和可靠性的重要因素之一措施使热源至耗热空间热通道的热阻降至最小或者是将作为电子设备重要组成部分印制电路板设计得合理印制电路板的热流密度限制在可靠性规定的范围内。为与否,直接影响着设备的性能甚至损坏电子设备。由于保证可靠性指标的实现,必须采取有效的热设计措施。主电路模块集成度的不断增加以及集成电路和多芯片模块要的热设计措施主要有以下几类的大量应用,印制电路板的组装密度也不断增加,使得印(1)自然冷却是不使用外部动力情况下的传热的方制电路板上的热流密度(单位面积的热流量)很大,一块好法,他包括导热辐射换热和自然对流换热等的印制电路板,不仅需要连接关系正确,如何控制印制电中国煤化立机或冲压空气使冷却路板上器件的温升,使其不超过叫靠性规定的限值,确保空气热量从热源传至热沉。产品的热可靠性并安全工作也愈发显得重要,因此对印制,.直接液体冷却和间接液电路板的热设计和热分析显得尤为迫切。体冷却。①直接液体冷却是将电子元器件直接浸渍与液体冷收癀日期:2007-04-15却剂进行冷却;189张世欣等:印制电路板的热设计和热分析②间接液体冷却是电子元器件与冷却剂不直接接(2)采用降额减少温升;触热量通过换热器或冷板进行冷却。(3)对电路尤其是含有功率器件的应根据相关标准(4)蒸发冷却。利用冷却介质的沸腾达到换热的目手册进行周密的可靠性热设计。的。是已知的最有效的传热方法3.1.3元器件使用中的降额设计(5)其他冷却。如热管、冷板、热电制冷等根据需要元器件在使用中可采用降额设计。在实际设计中可根据印制电路板的实际工作环境(温度、湿应用时,使元器件在低于其额定参数(功率、电压、电流)的度、气压、尘埃等),板上热流密度,体积功率密度、总功耗,条件下工作。元器件的降额使用可有效地减少温升、降低表面积、体积、热沉及其他特殊条件等,选择最合适的热设失效率计措施,以保证印制电路板上的温度分布均匀且温升不超3.2印制板的热设计过可靠性规定的限值印制板直立安装有利于散热,板与板之间的距离一般3热设计不应小于2cm,在考虑印制板的热设计时一般应遵循以下准则:热设计主要是控制电子产品内部所有电子元器件的(1)选用耐高温、导热系数高的材料作为印制电路板温度,保证电气性能稳定,避免或减小电参数的温度漂移,的材料。高功率密度电路可选择铝基、陶瓷基等热阻小的降低元器件的基本失效率,使其在所处的工作环境下不超板材。过规定的最高允许温度。本文将从以下几个方面对印制2)合理设计印制板结构,尽可能采用多层PCB板电路板的热设计进行详细讨论:印制板上元器件的使用,结构。印制板的热设计,印制板上元器件的安装和布局和其他方3)为了增强印制板的导热能力,最好采用散热印制面的要求等板;在多层印制板中使用金属夹心板(见图1),以保证这3.1电子元器件的使用些多层板到支撑件和夹心散热件间良好的散热;若需要还3.1.1元器件工作温度的控制可以使用防护涂层和灌封材料,加快热量传输到支撑件或温度是直接影响元器件性能和失效率的因素。应根散热片上据所要求的产品可靠性和分配给每个元器件的失效率确导体图形定元器件的最高允许工作温度和功耗。根据需要可采用特型元件来实现温度的补偿和控制。在可靠性热设计时元器件表面温度允许值见表1绝缘层一金属芯衰1元晶件衰面温度允许值Cu,ALFe等)导体图形元器件名称表面允许湿度元器件名称允许江度图1金属夹心板变压器、扼流图瓷电容器80~85(4)为增加印制板的散热能力可以采用汇流排,实际金属膜电阻玻璃陶瓷电容器上也相当于给印制板安装了一个性能良好的散热器,同时碳电阻器珪晶体管150~200提高了印制板的抗干扰性能。图2为汇流排的结构图,其中图2(a),(b)分别是正面和截面结构图。他是用2片薄钯膜电且诸晶体管70~90层壮的铜导体粘接在一起,中间用绝缘膜隔开,一片导体压削线绕电阻150作地线,另一片导体电源线,两层导体均有一系列引脚,可CMOS全密封125以直接焊在印制板上扁平封涂漆线绕电陶瓷直抽、黑瓷直捶坻介电容器MOs塑料直插导体(钢薄膜电容器60~130TTL小规模集威电路25~125表面绝缘物层向绝缘电极引脚云母电客器70~120TTL中规模集威电路70~85中国煤化工云绝缘3.1.2元器件结温的控制CNMHG元器件结温取决于自身功耗、热阻和环境温度。因此图2汇流排结构图控制结温不超过允许范围的措施包括(5)为了提高印制板自身的散热能力,应适当增加钢1)选用内热阻足够小的元器件箔的厚度,尤其是多层板的内导体,尽可能采用表面大面190《现代电子技术)2007年第18期总第257期P集成电路积铜箔。此外还应适当加宽印制板地线的宽度,对于地区域(如产品的底部),千万不要将他放在发热器件的正上线,大平面接地不仅可以有效地提高电路的抗干扰能力,方,应远离热源或将其隔离,多个器件最好是在水平面上而且还具有很好的散热效果。交错布局。(6)大电流线条尽量表面化;散热铜皮需采用消热应(5)将功耗最高和发热量最大的器件布置在散热的力的开窗法,利用散热阻焊适当开窗;对印制板上的接地最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的安装孔采用较大焊盘,以充分利用安装螺栓和印制板表面角落和四周边缘除非在他的附近安排有散热装置。在设的铜箔进行散热;尽可能多安放金属化过孔,且孔径、盘面计功率电阻时尽可能选择大一些的器件,且在调整印制板尽量大,依靠过孔帮助散热。布局时使之有足够的散热空间。3.3印制板上元器件的安装和布局(6)尽可能将功率均匀地分布在PCB板上,保持PCB印制板上的元器件如何布置对于散热来说有很大作表面温度性能的均匀和一致,避免PCB上热点的集中。用特别是对于垂直放置的印制板来说意义更大。元器件往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的,但的安装方位要符合冷却剂的流动特性,有利于冷却剂的流定要避免功率密度太高的区域,以免出现过热点影响整动(阻力最小)个电路的正常工作元器件在印制板上的布置方式和安装方位一般应遵(7)在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件。循以下原则。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电(1)对于采用自由对流空气冷却的产品,最好是将集路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。成电路(或其他器件)按纵长方式排列,如图3所示。对于为了达到良好的传热效果,在印制板上可采用元釆用强制空气冷却的产品,最好是将集成电路(或其他器器件的热安装技术。双列值插式元件、集成电路以及微处件)按横长方式排列,如图4所示理器等有一半以上的热量是通过本身的引线传递给印制板的,其引线安装孔应采用金属化镀覆孔,并且安装时可将元器件直接跨骑或贴装在导热条或导热板上,以降低元器件导致印制板的热阻。(9)髙热耗散器件在与印制板连接时应尽可能减少他们之间的热阻。为了更好地满足热特性的要求,在芯片底面可使用一些热导材料,并保持一定的接触区域器件散热。图3纵长方式排列(10)器件与印制板的连接时尽量缩短器件引线长度;在选择高功耗器件时,应考虑引线材料的导热性,如果可能尽量选择引线横段面最大和管脚数较多的器件3.4其他要求在进行印制电路板热设计时还应考虑以下几个方面(1)器件的封装选取在考虑热设计时应注意器件的封装说明和他的热传图4横长方式排列导率,考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导(2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大路径并且在热传导路径上应避免有空气隔断,如果有这小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如种情况可采用导热材料进行填充。小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气(2)工艺方法流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温,为了率晶体管大规模集成电路等)放在冷却气流最下游,小信改善散热条件,可以在焊膏中掺入少量的细小铜料,再流号放大器外器件尽量采用温漂小的器件,液态介质电容焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器件与印制板器的最好远离热源。间的丿凵中国煤化工(3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿CNMH布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量扎U,↓以有效地提高散热面积靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器和减少热阻,提高电路板的功率密度。如在LCC(全密件温度的彩响封的无引线陶瓷芯片载体)器件的焊盘上设立导通孔。在4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的电路生产过程中焊锡将其填充,使导热能力提高,电路工191张世欣等:印制电路板的热设计和热分析作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热什的位置,优化散热器的形状和尺寸以最大限度地发挥其层或背面设置的铜泊散发掉。散热效率提高散热孔和散热片地热传递效率以及确定单板与单板之间和电子系统内各个部件之间的空间大小。热分析5结语热分析的基础是计算传热学。其数值计算方法主要有有限差分法、有限元素法和边界元法。热分析就是根据印制电路板热设计热分析是提高产品可靠性必不可工程实际来刈模型简化,建立数学模型,求解非线性方程少的方法。在设计中,热设计和热分析要同步进行,相互编制和调试分析程序以及热参数的计算和测量验证等。优化。设计人员通过热分析确定系统和单元的传热途径作为热设计的基础,热分析是评估热设计好坏的重要确定最佳的冷却方法及确定各个传热环境的热阻;通过热手段。印制电路板的热分析就是根据印制板的结构及原设计选择耐热性和热稳定性好的元器件、原材料,合埋布材料、元器件的封装形式、印制板的工作环境等条件,建立局,从而设计出高性能高可靠性的印制电路板元器件的热模型(热库),设置仿真控制参数,对所设计的印制电路板的热行为进行估值计算。热分析必须在进行参考文献印制板布线之前的初步设计阶段就同步进行,而且要贯穿整个设计的全过程。[1]邱成悌,蒋全兴电子设备结构设计原理[M].南京:东南大从热分析的结果中可得出元器件温度、板温度和气流学出版社,2001温度值,他们以彩图、等温线可视化温度图形或其体数据[21国防科学技术工业委员会.GB27-92电子设备可靠性等形式显示出印制电路板的热特性热设计手册[幻].北京;国防科T委军标出版发行部,199据分析结果,可迅速查出印制板中存在的热问题找[3]黄书伟,卢申林,钱毓清印制电路板的可靠性设计[M]北出问题的根源,以便及时采取措施,消除印制板的高热浓京:国防工业出版社,2004缩区。从而确定印制板上导热通道,优化印制板上关键器[4ˉ谢德仁.电子设备热设计[M.南京:东南大学出版社,1988作者简介张世欣男,1979年出生,河南平顶山人,助理工程师。现从事EDA方面的工作高进男,1968年出生,河南洛阳人,高工程师。现从事EDA方面的工作石晓郗男,1972年出生,河南洛阳人,在读硕士研究生,高级工程师。现从事EDA方面的工作(上接第188页)133333R13333RI005007142002850114280135710157140178517102图7报警器电路工作波形图6报警器电路图[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003[3]李良荣,罗伟雄现代电子设计技术[M].北京:机械工业出社,20[4「1]陈松,金鸿.电子设计自动化技术[M]南京:东南大学出版中国煤化工术M,济南,出承科学技CNMHG者简介黄萍女,1950年出生,山东青岛人,副教投192