《現(xiàn)代電子技術(shù)) 2002年第8期總第139期工.業(yè)0動(dòng)化收稿日期: 2002 -06-28PCB的熱設(shè)計(jì)Thermal Reliability Design for PCB杜麗華蔡云枝DU LihuaCAI Yunzhi(上海中亞信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司上海 200233)(中興通訊上海-所系統(tǒng)部上海200231)Shenghei ZhongYs Corporation, Shenghni. 200233. Chia) (Shunghei No. 1 Insitute ZTE Corportion, Shanghi, 200231. China)要:熱分析、鵝設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施?；跓嵩O(shè)計(jì)的基本知識(shí)，討論了PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施。關(guān)鍵詞，印制板;熱設(shè)計(jì):熱分析2.4熱輻射1熱設(shè)計(jì)的 要性(1)印制板表面的輻射系數(shù);電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，除了有用功(2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對(duì)外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量,使溫度;內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備2.5 熱傳導(dǎo)會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱失效，電子設(shè)備的可靠(1)安裝散熱器;性將下降。(2)其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大,有效散熱面積2.6熱對(duì)流減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對(duì)熱設(shè)計(jì)(1)自然對(duì)流;的研究顯得十分重要。(2)強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升2印制 電路板溫升因素分析的有效途徑，往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件相關(guān)聯(lián)和依賴的,大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析，的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估隨功耗的大小變化。算出溫升和功耗等參數(shù)。印制板中溫升的2種現(xiàn)象:3熱設(shè)計(jì)原則(1)局部溫升或大面積溫升;(2)短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。3.1選材在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來分(1)印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加析。上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125 C (常用的典型值。根2.1 電氣功耗據(jù)選用的板材可能不同)。由于元件安裝在印制板上也(1)分析單位面積上的功耗;發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板(2)分析PCB板上功耗的分布。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素,熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125 C.2.2印制板的結(jié) 構(gòu)盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箱。(1)印制板的尺寸;(2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的(2)印制板的材料。板材。2.3印制板的安裝方式(3)采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì)。(1)安裝方式(如垂直安裝，水平安裝);3.2中國(guó)煤化工(2)密封情況和離機(jī)殼的距離。皮、開窗及散熱孔MHCNMHG等技小理業(yè)口理雙時(shí)必然團(tuán)應(yīng)道，保證熱量順利導(dǎo).85PCB的熱設(shè)計(jì)出PCB. .3.4布線時(shí)的要求(2)散熱通孔的設(shè)置(1)板材選擇(合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu));設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱(2)布線規(guī)則;面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度。如在L.CCC(3)根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度;特別器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將注意接合點(diǎn)處通道布線;其填充，使導(dǎo)熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能(4)大電流線條盡量表面化;在不能滿足要求的通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的條件下，可考慮采用匯流排;銅泊散發(fā)掉。在-一些特定情況下，專門設(shè)計(jì)和采用了(5)要盡量降低接觸面的熱阻。為此應(yīng)加大熱傳.有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料,如導(dǎo)面積;接觸平面應(yīng)平整、光滑，必要時(shí)可涂覆導(dǎo)熱一些模塊電源上采用的印制板。硅脂;(3)導(dǎo)熱材料的使用(6)熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條;為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻，在高功耗器件與基(7)散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料，提高熱傳導(dǎo)效率。熱阻焊適當(dāng)開窗;(4)工藝方法.(8)視可能采用表面大面積銅箝;對(duì)一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫,(9)對(duì)印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤，以為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻人少量的細(xì)小銅充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱;料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器(10)盡可能多安放金屬化過孔，且孔徑、盤面盡件與印制板間的間隙增加，增加了對(duì)流散熱。量大，依靠過孔幫助散熱;(11)器件散熱補(bǔ)充手段;3.3元器件的排布要求 .(1)對(duì)PCB進(jìn)行軟件熱分析,對(duì)內(nèi)部最高溫升進(jìn)(12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法;行設(shè)計(jì)控制;(2)可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)(13)根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱鋼館面積(保證原則i;≤(0.5~安裝在一個(gè)印制板上;(3)板面熱容量均勻分布，注意不要把大功耗器0.8) tm)。件集中布放，如無法避免，則要把矮的元件放在氣流4熱仿真(熱分析)的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū);熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣(4)使傳熱通路盡可能的短;性能，幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦?5)使傳熱橫截面盡可能的大;(6)元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影溫而燒壞。簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度，響。對(duì)熱敏感的部件、元器件(含半導(dǎo)體器件)應(yīng)遠(yuǎn)復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。離熱源或?qū)⑵涓綦x;無論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件(7) (液態(tài)介質(zhì))電容器的最好遠(yuǎn)離熱源;建立熱模型時(shí)多么小心翼翼，熱分析的準(zhǔn)確程度最終(8)注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向- -致;還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確(9)附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;性。在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要，如果元.(10)盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;件的實(shí)際功耗很小，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高,(11)發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件.從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上;件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析.(12)熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)制板的角落和四周邊緣，只要有可能應(yīng)安裝于散熱器計(jì)過低，也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)上，并遠(yuǎn)離其他器件，并保證散熱通道通暢;的要高，此類問題- -般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)(13)(小信號(hào)放大器外圍器件)盡量采用溫漂小中國(guó)煤化工:附件增加了成本，而的器件;|Y片C N M H G人風(fēng)扇還會(huì)給可靠性(14) 盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。帶采一層個(gè)穩(wěn)定因系，因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式36(現(xiàn)代電子技術(shù)) 2002年第8期總第139期工.業(yè)自動(dòng)化而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。熱)，以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可額定和最差狀況分析?？啃裕@在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生，花費(fèi)一些功PCB受到各種類型熱量的影響，可以應(yīng)用的典型夫準(zhǔn)確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助熱邊界條件包括:于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流;型和元件功耗，以免降低PCB設(shè)計(jì)效率。前后表面發(fā)出的熱輻射;.1 元件功耗計(jì)算.從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo);準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo);的過程，PCB設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo);耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸人到2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)。熱模型中。設(shè)計(jì)人員先猜測(cè)一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及從初步熱分析中得出估計(jì)值，并將元件功耗輸人到細(xì)分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流化的熱模型中,計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具，以及用點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗，算于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具。出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸人。在理想的4.2基本過程情況下，該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)樵诓挥绊懖⒂兄谔岣呦到y(tǒng)電性能指標(biāo)的前提上。下，依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn)，加速PCB熱設(shè)計(jì)。然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，的壓力，他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件通過板級(jí)熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果，尋找設(shè)計(jì)缺陷，并電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB提供系統(tǒng)級(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案。的總功耗,將其作為-個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻通過熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)方熱流通量。熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度，使設(shè)計(jì)人案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià);員用于計(jì)算元器件的功耗，通過進(jìn)-步重復(fù)計(jì)算元件通過預(yù)估一設(shè)計(jì)-測(cè)量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流溫度知道是否還需要作其他工作。程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度,提高-般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格，包熱仿真精度;補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。括正常工作的最高溫度。元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度4.3 板級(jí)熱仿真或元件內(nèi)部溫度的影響，消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封板級(jí)熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB元件，其工作最高溫度是85 C;而軍用產(chǎn)晶常使用陶的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓力、流瓷件，工作最高溫度為125 C,額定最高溫度通常是.體速度和運(yùn)動(dòng)矢量，也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)105C。PCB設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度或自然散熱等。目前可做板級(jí)熱分析比較典型的軟件/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。有Flotherm, Betasoft 等等。計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，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作者筒介杜麗華 女， 漢族，1964.9生，河北唐山人，1989 年畢業(yè)于西北師范大學(xué)夜大學(xué)數(shù)學(xué)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師，現(xiàn)俁職于上海中亞信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司。蔡云枝男。 漢族，1964.11生，甘肅隴西人，1988年畢業(yè)于西安交通大學(xué)信息與控制工程系，無線電技術(shù)專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于中興通訊上海一所。中國(guó)煤化工YHCNMHG87