PCB設計中的熱管理技術(shù)

2020-03-23

印刷電路板（PCB）是電子系統的基本組件。PCB的性能增強了整個(gè)設備的性能。隨著(zhù)設備的小型化，單位面積產(chǎn)生的熱量增加了。反過(guò)來(lái)，這會(huì )使設備內的組件發(fā)生故障，從而縮短設備的使用壽命。電子設備中主要的發(fā)熱組件是微處理器，晶體管，電阻器，電池，焊點(diǎn)和銅走線(xiàn)。當數百萬(wàn)個(gè)這樣的組件在一個(gè)小區域內堆積在一起時(shí)，產(chǎn)生的熱量將成倍增加?？梢酝ㄟ^(guò)維持嚴格的熱設計程序并在設備內提供電路冷卻設施來(lái)緩解熱量過(guò)多的問(wèn)題。

PCB的熱管理需求

PCB的性能通過(guò)其速度，精度和壽命等參數進(jìn)行評估。電路中產(chǎn)生的過(guò)多熱量會(huì )影響電路的性能。由于電流的流動(dòng)，PCB中會(huì )產(chǎn)生熱量。電路中產(chǎn)生的熱量為

發(fā)熱= I 2 R

其中，I是電路中流動(dòng)的電流，R是電路熱阻。

熱阻也表示為。?的值為

? = l / A * K

哪里

 是熱路徑的長(cháng)度

A是路徑的橫截面積，并且

K是導熱系數

工程師的設計目標將是通過(guò)優(yōu)化任何這些參數以獲得更好的性能來(lái)降低電路的熱阻。高頻運行的設備可能會(huì )由于自耦合和相互耦合而發(fā)熱。

減少熱量的產(chǎn)生可以通過(guò)組件的選擇，放置和方向來(lái)實(shí)現。尤其是對于高速，高性能應用，考慮到高工作頻率和設備緊湊性，熱管理變得至關(guān)重要。

PCB熱剖面分析

PCB的熱分析可以在仿真階段或在器件測試階段進(jìn)行。該分析為設計工程師提供了PCB內部熱量形成和傳遞的概念。然后，他們可以使用結果和模擬來(lái)提出有助于他們更好地管理熱量的技術(shù)。使用的一些分析技術(shù)是：

視力檢查

在操作過(guò)程中目視檢查設備，以查找是否有燃燒，過(guò)熱或組件損壞的跡象。組件變色和燃燒的氣味是設備故障的一些跡象?？梢宰R別并糾正諸如短路之類(lèi)的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

紅外攝像機測試

熱像儀紅外熱像儀可以查明熱泄漏的位置。IR分析對于發(fā)現假冒或有缺陷的組件很有用。焊錫不足，電阻更高和散熱更多的走線(xiàn)，可以使用IR分析來(lái)識別。

熱分析儀測試

這是原型前仿真級別的檢查。軟件仿真可以報告設計中潛在的發(fā)熱區域。使用此報告，可以在實(shí)際生產(chǎn)PCB時(shí)進(jìn)行設計調整。仿真大大節省了時(shí)間和成本。仿真還可以提供有關(guān)在不同環(huán)境溫度下設備性能的數據。這將增強設備的可靠性

PCB散熱設計技術(shù)

設計技術(shù)和組件選擇可以幫助減少PCB中的熱量產(chǎn)生。常用技術(shù)包括散熱孔，散熱器，熱管和銅接地板等。在某些設備中還提供了冷卻風(fēng)扇以引起外部冷卻。某些設備（例如，筆記本電腦）中同時(shí)使用了散熱器，熱管和風(fēng)扇，這兩種技術(shù)的結合也被采用。

金屬作為導熱墊

 銅是良好的熱導體。在PCB下方使用較厚的銅墊作為散熱墊。此技術(shù)稱(chēng)為外部散熱器。銅板將熱量散布到整個(gè)板上，從而減少了任何特定的組件損壞。

PCB材料的選擇

設計人員選擇的PCB材料應具有以下特性：在很寬的溫度和相對濕度范圍內具有穩定的介電性能，在很大的溫度范圍內具有穩定的熱機械性能，并且與構成PCB的其他材料具有熱兼容性。耐熱的PCB材料可降低溫度變化的風(fēng)險。

內部散熱片/散熱孔通過(guò)陣列設計

內部散熱器是金屬通孔，可將熱量從頂層傳導到絕緣層，以將熱量分布在下面的銅平面上。散熱孔可以是簡(jiǎn)單且空心的，也可以填充環(huán)氧樹(shù)脂并鍍銅。通孔可改善熱傳導。散熱孔可顯著(zhù)降低熱阻。通孔離熱源越近，導熱性越好，系統的熱性能也越好。

冷卻系統

 冷卻系統可以與設備集成在一起以改善散熱。冷卻系統可以是強制空氣冷卻型或流體冷卻型。通過(guò)策略性地放置冷卻風(fēng)扇以釋放熱量來(lái)完成強制空氣冷卻。流體冷卻通過(guò)熱交換器過(guò)程完成。對于緊湊的低功率設備，風(fēng)扇是優(yōu)選的，而對于產(chǎn)生高熱量的關(guān)鍵設備，則優(yōu)選流體冷卻。

優(yōu)化散熱設計的挑戰

縮小PCB面積

電路性能和速度

性?xún)r(jià)比

抗環(huán)境溫度