PCB热设计的具体方法

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PCB热设计的具体方法

电源适配器在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电源适配器产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电源适配器的可靠性将下降。
电源适配器进行PCB的热设计时，在考虑以上的基本要求后，根据电源适配器电路的特点有针对性地采取措施，具体方法通常有以下几种。
（1）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。

（2）根据电源适配器焊接要求和PCB基材的耐热性，选择耐热性好、热膨胀系数较小或与元器件热膨胀系数相适应的PCB基材，尽量减小元器件与PCB基材之间的热膨胀系数相对差。基材的玻璃化转变温度（Tg）是衡量基材耐热性的重要参数。基材的Tg低，热膨胀系数就大，特别是在Z方向（板的厚度方向）膨胀更为明显，容易使镀覆孔损坏；基材的Tg高，一般膨胀系数小，耐热性相对较好，但是Tg过高基材就会变脆，机械加工性下降，选材时要兼顾基材的综合性能。

（3）加大电源适配器PCB上与大功率元器件接地散热面的铜箔面积。如果采用宽的印制导线作为发热元器件的散热面，则应选择铜箔较厚的基材，热容量大，利于散热。但是为防止铜箔过热起泡、板翘曲，在不影响电性能的情况下，元器件下面的大面积铜箔最好设计成网状，如图所示。
（4）对于PCB表面宽度不小于3mm的电源适配器，在波峰焊接或再流焊接过程中会增加导体层起泡、板翘曲的可能性。为了避免和减少这些热效应的作用，设计电源适配器时应考虑在不影响电磁兼容性的情况下，对直径大于25mm的导电面积采用开窗的方法设计成网状结构。在导电面积上焊接时采用热隔离措施，可以防止因为过热而使PCB基材铜箔鼓胀、变形。
（5）PCB的焊接面不宜设计大的导电面积。如果需要有大的导电面积，则应设计成网状，以防止焊接时因为大的导电面积热容大、吸热过多延长焊接的加热时间，而引起铜箔起泡或与基材分离，并且表面应有阻焊层覆盖，避免焊料润湿导电面积。
（6）PCB布局时应将电解电容、热敏电阻等对热敏感元器件或怕热元器件远离大功率发热元器件。
（7）发热量过大的元器件应外加散热器或散热板。散热板的材料应选择热导率高的铝或铜，为了减少元器件与散热器之间的热阻，必要时可以涂覆导热绝缘脂。对于体积小而发热量大的元器件，可以将元器件的接地外壳通过导热绝缘脂与金属外壳接触散热。
（8）对于大的导电面积和多层有内层地线的PCB，应设计成网状并靠近PCB的边缘，可以降低因为导电面积过热而引起的铜箔鼓泡、起翘或多层板的内层分层。
（9）对于功率大的电源适配器PCB，应选择与元器件载体材料热膨胀系数相匹配的基材或采用金属芯PCB。
（10）对于特大功率的电源适配器元器件，利用热管技术通过传导冷却的方式给元器件散热。对于在高真空条件下工作的PCB，因为没有空气，不存在热的对流传递，采用热管技术是一种有效的散热方式。
（11）对于在低温下长期工作的PCB，应根据温度范围和元器件的工作温度要求，采取适当的升温措施。
（12）对于面积较大的连接盘（焊盘）和大面积铜箔（大于φ25mm）上的焊点，应设计焊盘隔热环，在保持焊盘与大的导电面积电气连接的同时，将焊盘周围部分导体蚀刻掉形成隔热区。电连接通道的宽度也应该适当，连接通道过窄会影响载流量，连接通道过宽会失去热隔离的效果。连接通道的宽度应为连接盘（焊盘）直径的60％与通道数的商，目的是使热量集中在焊盘上，保证焊点的质量。在焊接时还应减少焊接时间，以防止其余的大面积铜箔因热传导过快、受热时间过长而引起铜箔起泡、鼓胀等现象。
（13）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。
以如图所示的图形为例，有两条连接通道，则通道宽度为焊盘直径的60％除以2。假设连接盘直径为0.8mm（设计值加制造公差），则连接通道的总宽度为0.8×60％＝0.48mm。有两条通道，则每条宽度为0.48/2＝0.24mm；有3条通道，则每条宽度为0.48/3＝0.16mm；有4条通道，则每条宽度为0.48/4＝0.12mm。

图连接盘上的隔热环

如果计算出电源适配器每条连接通道的宽度小于制造工艺的极限值，则应减少通道数量，使连接通道宽度达到可制造的要求。例如，计算4条通道每条通道的宽度为0.12mm时，有的电源适配器生产商制造工艺达不到，就可以改为3条通道，通道宽度为0.16mm，一般电源适配器生产商都可以制造。
（14）采用表面大面积铜箔可保证的情况下，出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法；外加的散热器应与PCB的接地面相接触。除用必要的机械连接外，应在散热器与接地面之间或绝缘垫之间涂覆导热脂，用以减少热阻，提高散热效果。
（15）在电源适配器PCB布局时，应在板上留出通风散热的通道，如图1-6所示。通风入口处不能设置过高的元器件，以免影响散热。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。充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道,保证热量顺利导出 PCB。
（16）要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积；接触平面应平整光滑，必要时可涂覆导热硅脂。

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| 发布时间：2019.06.28 来源：电源适配器厂家

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