PCB的热分析与热设计技术

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PCB的热分析与热设计技术

1．PCB热量的来源
电源适配器在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，还有一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，会继续升温，元器件就会因过热失效，电源适配器的可靠性将下降。SMT使电源适配器元器件的安装密度增大，有效散热面积减小，电源适配器温升严重地影响可靠性，因此对电源适配器PCB的热设计的研究显得十分重要。引起电源适配器PCB温升的直接原因是由于电路功耗元器件的存在，电子元器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小而变化。PCB中温升的两种现象为：①局部温升或大面积温升；②短时温升或长时间温升。
电源适配器PCB中热量的来源主要有3个方面：电子元器件的发热、PCB本身的发热、其他部分传来的热。在这3个热源中，元器件的发热量最大，是主要热源，其次是PCB产生的热，外部传入的热量取决于电源适配器的总体热设计。
元器件的发热量是由其功耗决定的，因此在设计时首先应选用功耗小的元器件，尽量减少发热量。其次是元器件工作点的设定，一般应选择在其额定工作范围内，在此范围内工作时性能佳、功耗小、寿命长。功率器件本身发热量大，设计时应尽量避免满负荷工作。对于大功率器件应执行降额设计的原则，适当加大设计富裕度，这无论是对加大电源适配器的稳定性、可靠性，还是减少发热量都有好处。
PCB是由铜导体和绝缘介质材料组成的，一般认为绝缘介质材料不发热。铜导体由于铜本身存在电阻，当电流通过时就会发热，mA（毫安）、μA（微安）级的小电流通过时，发热问题可忽略不计，但当大电流（百毫安级以上）通过时就不能忽视。值得注意的是，当铜导体温度上升到85℃时，绝缘材料自身开始发黄，电流继续通过，最后铜导体熔断。特别是多层PCB内层的铜导体，周围都是传热性差的树脂，散热困难，因而温度不可避免地上升，所以要特别注意铜导体的线宽设计。实际上，在进行PCB布线设计时，走线宽度主要依据其发热量和散热环境来确定。铜导体的截面积决定了导线电阻（数字电路中线电阻引起的信号损耗可忽略不计），铜导体和绝缘基材的热导率影响温升，进而决定载流量。例如，铜导体截面积一定，当其允许电流值为2A、温度上升值低于10℃时，对于35μm铜箔，其线宽应设计为2mm；对于70μm铜箔，其线宽应设计为1mm。由此得出，当铜导体的截面积、允许电流和温度上升值一定时，可从增加铜箔厚度或加大铜导体线宽两个方面来满足散热要求。

2．电路热分析
电路热分析分为3个步骤：首先估计元器件中产生的热量，然后估计PCB或散热片散发的热量，最后估计元器件将要运行的环境温度。PCB或散热器会通过对流、传导或辐射方式将元器件的热量散发出去。传导散热主要是通过功率器件芯片金属引线框和PCB上的铜箔来传导热量。一旦PCB铜箔或分立散热片传导出热量，就为对流散热提供了足够大的将热量散播到空气中的表面积。
对流散热也有一些困难，在高温下，热阻会增加，为此采用热阻作为热分析参数。元器件数据中给出的若是从结到外界的热阻Rja，则该值表示的是当元器件未连散热片或未焊到PCB上时的温升。热设计中关键的热阻是从芯片到PCB的热阻Rjb及从芯片到封装表面的热阻Rjc，可用两个JEDEC标准PCB测量Rja，一个是单面PCB，另一个是多层PCB。如果有Rjb和Rjc规格，可估计元器件的真实温升。在测量Rja时，PCB上没有其他芯片，当元器件周围有电源和其他散发热量的芯片时，以及当PCB处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时，实际温升会高于Rja测量给出的值，因为多数元器件的塑料封装顶面都几乎不传送热量。环氧树脂塑料的热传导能力为0.6～1W/（m·K）（瓦每米开尔文），而铜的导热能力是400W/（m·K）。因此，铜的导热能力比塑料高400～600倍。
热分析中的最后一步是估计环境温度，这步十分重要。例如，实验室空气温度为25℃，工作台上的芯片工作在50℃。当将这些芯片放到50℃的环境温度下，芯片的温度将达到75℃。但在估计环境温度步骤中，有时无法确定元器件可能要工作的环境情况。
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，即PCB单位面积上的功耗、PCB上功耗的分布。
（2）PCB的结构，即PCB的尺寸和材料。
（3）PCB的安装方式（如垂直安装，水平安装）、密封情况和离壳体的距离。
（4）热辐射，即PCB表面的辐射系数、PCB与相邻表面之间的温差和它们的绝对温度。
（5）热传导，即安装散热器、其他安装结构件的传导。
（6）热对流，即自然对流、强迫冷却对流。
对上述各因素的分析是解决PCB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。

3．PCB热设计的基本要求
在进行PCB设计时，尤其是表面安装用PCB设计，首先应考虑材料的热膨胀系数匹配问题。元器件的封装基板有3类：刚性有机封装基板、挠性有机封装基板和陶瓷封装基板，基板通过模塑技术、模压陶瓷技术、层压陶瓷技术和层压塑料4种方式进行封装。基板用的材料主要有高温环氧树脂、BT树脂、聚酰亚胺、陶瓷和难熔玻璃等，这些材料耐温较高，X、Y方向的热膨胀系数较低。在选择PCB材料时应了解元器件的封装形式和基板的材料，并考虑元器件焊接工艺过程的温度变化范围，选择热膨胀系数与之相匹配的基材以降低由材料热膨胀系数差异引起的热应力。
许多元器件采用陶瓷封装基板，它的热膨胀系数典型值为（5～7）×10-6/℃，无引线陶瓷芯片载体LCCC的热膨胀系数范围是（3.5～7～8）×10-6/℃。有的元器件基板采用与某些PCB基材相同的材料，如PI、BT和耐热环氧树脂等。在选择PCB的基材时应尽量考虑使基材的热膨胀系数接近于元器件基板材料的热膨胀系数。

PCB的导线由于通过电流而引起温升，规定其环境温度应不超过125℃（常用的典型值，根据选用的基材可能不同）。由于元器件安装在PCB上也发出一部分热量而影响PCB的工作温度，所以在选择PCB材料和PCB设计时应考虑到这些因素，热点温度应不超过125℃。PCB基材尽可能选择更厚一点的覆铜箔，在特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的基材，采用多层结构也有助于PCB热设计。
目前广泛应用的PCB基材是覆铜环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材，还有少量的纸基覆铜基材。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，作为高发热元器件的散热途径，几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量，而是从元器件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品进入部件小型化、高密度安装、高发热化组装的时代，只靠十分小的元器件表面积来散热是不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元器件的大量使用，元器件产生的热量大量地传给PCB，因此解决散热的最好方法是提高与发热元器件直接接触的PCB自身的散热能力，把热量通过PCB传导出去或散发出去。

4．PCB热设计
在PCB热设计中有3个措施：降耗、散热和布局。降耗是不让热量产生；散热是把热量导走或散发出去，不对元器件产生影响；布局是热量若没散掉，可通过布局隔离热敏感元器件。降耗是最根本的解决方法，降额和低功耗设计方案有两个主要途径，但需要结合具体的设计进行分析。元器件选型时尽量选用发热小的元器件，如片状电阻、绕线电阻（少用碳膜电阻），独石电容、钽电容（少用纸介电容），MOS、CMOS电路（少用锗管），表面安装器件等。除了选择低功耗元器件外，对一些温度敏感的特型元器件进行温度补偿与控制也是解决问题的办法之一。
降额需要考虑的是降耗方式，假设一根细导线，标称能通过10A的电流，电流在其上产生的热量就较多，把导线加粗，增大余量，标称通过20A的电流，再通过10A电流时，因为内阻产生的热损耗就会减小，热量就小。而且因为采用了降额设计，当环境温度升高时，在元器件性能下降的情况下，因为有余量，即使性能下降，也能满足要求。在给定条件下，当电路中元器件温度上升到超过可靠性保证温度时，就要采取适当的散热对策，使其温度降低到可靠性工作范围内，这就是进行热设计的最终目的。
散热是PCB热设计的主要内容。对PCB来说，其散热无外乎3种基本类型：导热、对流和辐射。导热和对流是主要散热手段，常用的散热方式是用散热器将热量从热源上传导出来，利用空气对流散发出去。辐射是利用空间的电磁波运动将热量散发出去，其散热量较小，通常作为辅助散热手段。
PCB热设计的目的是采取适当的措施和方法降低元器件的温度和PCB的温度，使系统在合适的温度下正常工作。从有利于散热的角度出发，PCB最好是直立安装，PCB与PCB之间的距离一般应不小于2cm。

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| 发布时间：2019.06.12 来源：电源适配器厂家

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