电路板的升温因素分析及解决方法

中信华 · 发表于 2020-11-17 11:13:53

　　电路板的升温因素分析及解决方法

　　电子设备工作时产生的热量，使设备内部温度迅速上升，若不及时将该热量散发，设备会持续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。因此，对电路板进行散热处理十分重要。

　　印制电路板温升因素分析
　　引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。

　　印制板中温升的2种现象：
　　（1）局部温升或大面积温升;
　　（2）短时温升或长时间温升。

　　在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。
　　1. 电气功耗
　　（1）分析单位面积上的功耗;
　　（2）分析PCB电路板上功耗的分布。
　　2. 印制板的结构
　　（1）印制板的尺寸;
　　（2）印制板的材料。
　　3. 印制板的安装方式
　　（1）安装方式（如垂直安装，水平安装）;
　　（2）密封情况和离机壳的距离。
　　4. 热辐射
　　（1）印制板表面的辐射系数;
　　（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度。
　　5. 热传导
　　（1）安装散热器;
　　（2）其他安装结构件的传导。
　　6. 热对流
　　（1）自然对流;
　　（2）强迫冷却对流。

　　从PCB上述各因素的分析是解决印制板温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

　　1. 高发热器件加散热器、导热板
　　当PCB中有少数器件发热量较大时（少于3个），可在发热器件上加散热器或导热管，当温度还不能降下来时，可采用带风扇的散热器，以增强散热效果。当发热器件量较多时（多于3个），可采用大的散热罩（板），它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上，与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差，散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。
　　2. 通过PCB板本身散热
　　目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材，还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能，但散热性差，作为高发热元件的散热途径，几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量，而是从元件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代，若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用，元器件产生的热量大量地传给PCB板，因此，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力，通过PCB板传导出去或散发出去。
　　3. 采用合理的走线设计实现散热
　　由于板材中的树脂导热性差，而铜箔线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。
　　评价PCB的散热能力，就需要对由导热系数不同的各种材料构成的复合材料一一PCB用绝缘基板的等效导热系数（九eq）进行计算。
　　4. 对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，或按横长方式排列。
　　5. 同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。
　　6. 在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径;在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。
　　7. 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。
　　8. 设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。
　　9. 避免PCB上热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上，保持PCB表面温度性能的均匀和一致。往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的，但一定要避免功率密度太高的区域，以免出现过热点影响整个电路的正常工作。如果有条件的话，进行印制电路的热效能分析是很有必要的，如现在一些专业pcb设计软件中增加的热效能指标分析软件模块，就可以帮助设计人员优化电路设计。
　　10. 将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件，且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。
　　11. 高热耗散器件在与基板连接时应尽可能减少它们之间的热阻。为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料（如涂抹一层导热硅胶），并保持一定的接触区域供器件散热。
　　12. 器件与基板的连接：
　　（1）尽量缩短器件引线长度;
　　（2）选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，尽量选择引线横段面最大的;
　　（3）选择管脚数较多的器件。
　　13. 器件的封装选取：
　　（1）在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率;
　　（2）应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径;
　　（3）在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。

电路板的升温因素分析及解决方法

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