表面贴装元器件的热设计

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表面贴装元器件的热设计

对电源适配器的PCB设计来说，尺寸越小越好，在推动外形尺寸小型化的同时，人们要求电源适配器电路具有更强的功能和更高的可靠性。但是，组装密度的不断提高形成了局部的高热密度。由于高温会对电源适配器的性能产生非常有害的影响，如高温会危及半导体器件的结温、损伤电路的连接界面、增加导体的阻值和形成机械应力损伤，所以确保发热电子元器件所产生的热量能够及时排出是电源适配器PCB设计的一个重要方面。电源适配器的可靠性及其性能，在很大程度上取决于是否具有良好的热设计，以及所采取的散热措施是否有效。

由于近年来表面贴装技术的应用不断拓展，使得热设计工作更为复杂和困难。这是因为表面贴装元器件与以往的矩形扁平封装元器件相比较，物理形状和尺寸大小有着显著的不同，表面贴装元器件更趋小型化、微型化。因此，表面贴装元器件的冷却比起以往所采用的通孔元器件（如双列直插式元器件）而言，在PCB上所占的空间更趋紧凑，进一步增加了热密度。

表面贴装元器件相对于其他类型的元器件而言，热设计更为困难，所以近年来人们已将注意力转向涉及表面贴装技术的散热问题。从冷却系统的设计、散热片的提供及严格的热分析，都特别关注表面贴装元器件的应用技术。

1．表面贴装元器件的热设计特点
表面贴装技术与以往的通孔组装技术相比较，所采用的热交换方式的选择余地很小。对采用通孔组装技术的双列直插式元器件而言，由于具有接地引脚和电源引脚可与PCB的具有热传导和热辐射功能的散热板（如铜板）相接触，将热量散发出去。而对表面贴装元器件来说，仅能采用表面接触的方式进行散热，由于表面贴装元器件的引脚非常细小，因而对热流而言，其流通截面积受到了很大的限制。
通孔元器件的外形尺寸比起表面贴装元器件来说大得多，即使通孔元器件上具有高热负载，也可以通过附着上常规的金属压制板材，或者采用具有足够散热表面积的、挤压成形的铝散热片来进行散热。而对表面贴装元器件来说，虽然热量的产生通常要小于通孔元器件，但是由于表面贴装元器件的物理尺寸较小，并且缺乏专门的散热片黏接技术，从表面贴装元器件上向外进行热交换的通道受到了很大限制。
当在表面贴装元器件上黏接一块散热片时，尤其是对采用塑料封装的元器件来说，环氧树脂黏接剂将会形成高热阻。此外，在对流或强迫风冷的通道中，由于表面贴装元器件的外形较小，因此表面贴装元器件不能有效地进入气流的传热界面层，导致了热交换系数的降低。而当一个具有特定功耗的芯片安置在较小的表面贴装组件内时，其产生的热功率密度就增高，于是要求有较高的热交换系数，才能保持与通孔元器件相一致的温度。

2．表面贴装元器件的热设计方法
为了能够有效地解决表面贴装元器件的散热问题，可以从表面贴装元器件的内部和外部两个方面来设计。
1）电源适配器内部热设计方法
为了提高表面贴装元器件的热性能，可以对表面贴装元器件本身进行综合的热设计处理。例如，引脚数量多的方形塑料扁平封装元器件（PQFP），可以通过增强其内在的冷却性能，使得热传递性能大为改善。其中包括使用铜引脚框架、增加引脚框的面积和增加表面贴装元器件内的传热通道等方法将其与引脚框连接起来，将热量通过引脚框传递到表面贴装元器件的外表面。采用了这些热设计措施，将增大方形塑料扁平封装的表面贴装元器件的功耗散发量，可以从原来的2W左右增至3W以上。
采用增加芯片尺寸、增加铜材制成的电源线和接地线的面积（对多层陶瓷组件而言）及降低塑料的厚度等表面贴装元器件内部所增加的热设计措施，将导致费用增加，除此以外，也影响到结构的可靠性。因此，目前正在开展采用外部散热片和冷却措施的研究工作。
2）电源适配器外部热设计方法
为了能够将表面贴装元器件上的热量散发掉，在热设计中采用冷却技术和通孔工艺两种方式。冷却技术包括热管理、自然对流冷却、强迫空气冷却、液体冷却、热交换、冷板、焊接散热板、采用热管、温差制冷、微型风机和充满液体的冷却袋等。在表面贴装元器件的顶部安装散热器，可以显著地增加表面贴装元器件的散热面积。当气流方向不明确时，在表面贴装元器件上黏接正交的铝散热片是非常有效的方法。
表面贴装元器件所采用的散热器绝大多数采用铝材（挤压成形、波纹状板材），此外还有实心铜散热器。目前，正引入采用由金属填充的、具有热传导性能的聚合物材料制造的散热器。这种散热器具有适合于塑料器件的热膨胀系数，能够提供较高的热传递性能，可以通过黏接胶粘贴在表面贴装元器件上。
表面贴装元器件上的散热器能够增加热耗散的面积，散热器向外凸出的高度很小，散热片的覆盖面能够占表面贴装元器件长度的30％～50％，且不会妨碍焊点的检查。在组件的散热片位置，通过在其突出部位增加一个挤压成形的凸出物进行加固。此外，为了能够形成最佳的黏接厚度和为了避免胶粘层不均匀，散热片的底部应该采用厚为0.08～0.15mm的导向轨道。散热片的高度应在满足空间尺寸限制的条件下，达到最大限度的允许值。在满足气流条件的情况下，散热片和散热圆柱的密度同样也要达到最高值。黏接散热片的材料最好采用柔性的、填充有银粉的环氧黏接剂。
对于涉及高热度的特殊应用场合，或者为了达到最佳的高速工作状态，必须对元器件进行冷却，使之低于环境温度，其中温差制冷是一项有效的技术手段。一般情况下温差制冷较复杂，但温差制冷可以满足定点定位的冷却需要，并且它几乎可以满足各种尺寸的需求。在接触器件的一侧形成一个制冷端，热量从发热的一端散发出去。
从表面贴装元器件顶部所散发的热量，同样也可以通过液体所形成的柔性散热器来完成。例如，采用内部注满全氟化碳液体的金属化塑料袋作为柔性散热器，袋中的受热液体通过热对流传导，可以很方便地将元器件上所散发的热量传递到袋子的金属化塑料表面。当散热袋与散热体（如器件壳体壁）相接触时，会获得最佳的效果。
上述充满液体的柔性散热器已经有效地达到2.3W/cm2以上的功率耗散，一般被使用在自然对流受到约束或不能直接采用强迫冷却的特殊场合。
热管比起简单的带有散热片的散热器来说，所占用的空间要多，但是其冷却能力却有显著的提高。热管加强了散热片的热交换能力，并能适应高功率密度的场合需要。典型的热管冷却结构是采用热管和冷却散热片的组合体。它被设计成能够固定在大型和微型元器件的顶部进行散热，在竖直方向采用在铜基层中埋置入热管的方式，该热管一直延伸到散热器上。对32mm×32mm正方形的表面贴装元器件而言，采用高度大于25.4mm的散热器，在强迫风冷的状态下能够耗散掉60W的热量。同样，也可以通过直接在PCB上安装小型散热器来实现单个元器件或一组元器件的冷却，这种小型散热器的高度能够小于25.4mm。
除表面贴装元器件顶部的冷却以外，也可再在其底部进行冷却以获得冷却效果的进一步加强，或者采用底部冷却来替换顶部冷却。底部冷却最简便的方式是在PCB的底部粘上一块金属板，采用这种方式，元器件底部的热量必须通过PCB自身的厚度才能得以传导。一个常用的工艺方式是在元器件下面提供一定数量的通道，这些通道被制成通孔形式，焊锡被灌注在其中构成热通道，热通道将元器件底部的热量传递到PCB另外一个侧面的冷板上进行热交换。但金属板的使用受到了一定的限制，它只能适用于表面贴装元器件安装在PCB一侧的情形。对简单传导来说，只使用硬铝制造的金属板。但对散热要求较高的场合来说，可以采用空心的冷板结构，它能够容纳流动的液体，从而加强了热交换作用。
冷板同样也能同热管结合在一起，热管能够将热量从PCB的中间传递到板的边缘，然后把热量传递到壳体壁上。扁平的热管被夹持在两层薄薄的、经过阳极氧化处理的铝板之间，从而形成了一块具有良好热交换能力的冷板，该组件能够被制成各种各样的形式。
在采用表面贴装元器件的场合，采用具有电路的超薄导热绝缘固态金属板也是一个非常有效的散热设计方法。它使得大功率表面贴装元器件的冷却问题简单化。绝缘层被安置在形成电路走线的铜箔外层上，该金属板可采用铜材也可以采用铝材。

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| 发布时间：2019.06.09 来源：电源适配器厂家

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