PCB散热设计的基本原则
2019/10/20 00:51:07
PCB基材的选择
元器件的布局
PCB的布线
1.选材
PCB基材应根据焊接要求和耐热性要求，选择耐热性好、CTE(Coefficients of Thermal Expansion，热膨胀系数)较小或与元器件CTE相适应的基材，以尽量减小元器件与基材之间的CTE相对差。
基材的玻璃化转变温度(T g )是衡量基材耐热性的重要参数之一，一般基材的T g 低，热膨胀系数就大，特别是在Z方向(板的厚度方向)的膨胀更为明显，容易使镀覆孔损坏;基材的T g 高，膨胀系数就小，耐热性相对较好，但是T g 过高基材会变脆，机械加工性下降。因此，选材时要兼顾基材的综合性能。
PCB的导线由于通过电流后会产生温升，故加上规定环境温度值后温度应不超过125℃。125℃是常用的典型值，根据选用的板材不同，该值可能不同。由于元器件安装在PCB上时也发出一部分热量，影响工作温度，故选择材料和设计PCB时应考虑到这些因素，即热点温度应不超过125℃，而且应尽可能选择更厚一点的覆铜箔。
随着开关电源等电子功率产品的小型化，表面贴片元器件广泛运用到这些产品中，这时散热片难于安装到一些功率器件上。在这种情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。可以选择铝基覆铜板、铁基覆铜板等金属PCB作为功率器件的载体，因为金属PCB的散热性远好于传统的PCB，而且可以贴装SMD元器件。也可以采用一种铜芯PCB，该基板的中间层是铜板，绝缘层采用的是高导热的环氧玻纤布黏结片或高导热的环氧树脂，可以双面贴装SMD元器件。大功率SMD元器件可以将SMD自身的散热片直接焊接在金属PCB上，利用金属PCB中的金属板来散热。
还有一种铝基板，在铝基板与铜箔层间的绝缘层采用的是高导热性的导热胶，其导热性要大大优于环氧玻纤布黏结片或高导热的环氧树脂，且导热胶厚度可根据需要来设置。
2.CTE(热膨胀系数)的匹配
在进行PCB的设计时，尤其是进行表面安装用PCB的设计时，首先应考虑材料的CTE匹配问题。IC封装的基板有刚性有机封装基板、挠性有机封装基板、陶瓷封装基板3类。采用模塑技术、模压陶瓷技术、层压陶瓷技术和层压塑料4种方式进行封装的IC，PCB基板用的材料主要有高温环氧树脂、BT树脂、聚酞亚胺、陶瓷和难熔玻璃等。由于IC封装基板用的这些材料耐温较高，X、Y方向的热膨胀系数较低，故在选择PCB材料时应了解元器件的封装形式和基板的材料，并考虑元器件焊接时工艺过程温度的变化范围，选择热膨胀系数与之相匹配的基材，以降低由材料的热膨胀系数差异引起的热应力。
采用陶瓷基板封装的元器件的CTE典型值为5～7×10 -6 /℃，无引线陶瓷芯片载体LCCC 的CTE范围是3.5～7.8×10 -6 /℃，有的器件的基板材料采用了与某些PCB基材相同的材料，如PI、BT和耐热环氧树脂等。不同材料的CTE值如表13-3所示 。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器件基板材料的热膨胀系数。
表13-3 不同材料的CTE值
注：该表中的数据从IPC-2221标准图表查出。
考虑PCB的散热时，元器件的布局要求如下。
(1)对PCB进行软件热分析时，应对内部最高温升进行设计控制，以使传热通路尽可能短，传热横截面尽可能大。
(2)可以考虑把发热高、辐射大的元器件专门设计安装在一个PCB上。发热元器件应尽可能置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上。注意使强迫通风与自然通风方向一致，使附加子板、元器件风道与通风方向一致，且尽可能使进气与排气有足够的距离。
(3)板面热容量应均匀分布。注意不要把大功耗元器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元器件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。
(4)进行元器件的布局时应考虑到对周围零件热辐射的影响。在水平方向上，大功率元器件尽量靠近PCB边沿布置，以便缩短传热路径;在垂直方向上，大功率元器件尽量靠近PCB上方布置，以便减少这些元器件工作时对其他元器件温度的影响。对温度比较敏感的部件、元器件(含半导体器件)应远离热源或将其隔离，最好安置在温度最低的区域(如设备的底部)，如前置小信号放大器等要求温漂小的元器件、液态介质的电容器(如电解电容器)等时，最好使其远离热源，千万不要将它放在发热元器件的正上方。多个元器件最好在水平面上交错布局。
从有利于散热的角度出发，PCB最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且元器件在PCB上的排列方式应遵循一定的规则。
对于自身温升超过30℃的热源，一般要求：① 在风冷条件下，电解电容等温度敏感元器件离热源的距离要求不小于25mm;② 在自然冷条件下，电解电容等温度敏感元器件离热源的距离要求不小于4.0mm。
集成电路的排列方式对其温升的影响实例如图13-1所示，图中显示了一个大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装的两种布局方式。LSI的功耗为1.5W，SSI的功耗为0.3W。工程实例实测结果表明，采用如图13-1(a)所示布局方式会使LSI的温升达50℃，而采用如图13-1(b)所示布局方式导致的LSI的温升为40℃，显然采纳后面一种方式对降低LSI的失效率更为有利。
图13-1
(5)进行元器件布局时，在板上应留出通风散热的通道(如图13-2所示)，通风入口处不能设置过高的元器件，以免影响散热。采用自然空气对流冷却时，应将元器件按长度方向纵向排列;采用强制风冷时，应将元器件横向排列。发热量大的元器件应设置在气流的末端，对热敏感或发热量小的元器件应设置在冷却气流的前端(如风口处)，以避免空气提前预热，降低冷却效果。强制风冷的功率应根据PCB组装件安装的空间大小，散热风机叶片的尺寸和元器件正常工作的温升范围，经过流体热力学计算来确定，一般选用直径为2～6in的直流风扇。
图13-2 空气冷却方式
(6)为了增加板的散热功能，并减少由分布不平衡引起的PCB的翘曲，在同一层上布设的导体面积不应小于板面积的50%。
(7)热量较大或电流较大的元器件不要放置在PCB的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，远离其他元器件，并保证散热通道通畅。
(8)电子设备内PCB的散热主要依靠空气流动实现，因此散热器的位置应考虑利于对流。在设计时要研究空气流动路径，合理地配置元器件或PCB。由于空气流动时总是趋向阻力小的地方流动，故在PCB上配置元器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。在整机中，对于多块PCB的配置也应注意同样的问题。发热量过大的元器件不应贴板安装，并外加散热器或散热板。散热器的材料应选择导热系数高的铝或铜制造。为了减少元器件体与散热器之间的热阻，必要时可以涂覆导热绝缘脂。对于体积小的电源模块一类发热量大的产品，可以将元器件的接地外壳通过导热脂与模块的金属外壳接触散热。开关管、二极管等功率元器件应该尽可能可靠接触到散热器。常用的方法是将元器件的金属壳贴在散热器上，这样方便生产，但是相应的热阻会比较大;现在也有用锡膏直接将管子焊在金属板上面来提高接触的可靠性(Reliability)、降低热阻的，但这要求焊接的工艺非常好。一般国内的焊接工艺并不能用此方法，因为焊接容易在接触面留气泡，用CT扫描可以发现锡膏焊接表面容易留有气泡，这会导致热阻上升。元器件焊接在散热器上的情况很少看到，现在用得最多的方法是将元器件通过散热膏直接固定在散热器上。通过散热膏可以保证元器件与散热器表面可靠接触，同时还可以减小热阻。它的热阻没有想象的那么大，从实际温升的测试结果也可以说明这个问题。
(9)尽可能利用金属机箱或底盘散热。
(10)采用多层板结构有助于PCB的热设计。
(11)使用导热材料。为了减少热传导过程的热阻，应在高功耗元器件与基材的接触面上使用导热材料，提高热传导效率。
(12)选择阻燃或耐热型的板材。对于功率很大的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。
(13)对于特大功率的器件，可利用热管技术(类似于电冰箱的散热管)通过传导冷却的方式给元器件体散热。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，故采用热管技术是一种有效的散热方式。
(14)对于在低温下长期工作的PCB，应根据温度低的程度和元器件的工作温度要求，采取适当的升温措施。
考虑PCB的散热时，PCB的布线的要求如下。
(1)应将大的导电面积和多层板的内层地线设计成网状并靠近板的边缘，这样可以降低因为导电面积发热而造成的铜箔起泡、起翘或多层板的内层分层。但是高速、高频电路信号线的镜像层和微波电路的接地层不能设计成网状，因为这样会破坏信号回路的连续性，改变特性阻抗，引起电磁兼容问题。
应加大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，其热容量大，利于散热。应根据元器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积，保证原则为t j ≤(0.5～0.8)t jmax ，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最好设计成网状，一个推荐的设计实例如图13-3所示。
图13-3 网格设计实例
图13-4 有焊盘的散热面的网状设计
(2)对于PCB表面宽度大于等于3mm的导线或导电面积，在波峰焊接或再流焊过程中会增加导体层起泡、板子翘曲的可能性，也能对焊接起到热屏蔽的作用，增加预热和焊接的时间。在设计时，应考虑在不影响电磁兼容性的情况下，同时为了避免和减少这些热效应的作用，将直径大于25mm的导体面积采用开窗的方法设计成网状结构，导电面积上的焊接点用隔热环隔离，这样可以防止因为受热而使PCB基材铜箔鼓胀、变形(如图13-4所示)。
(3)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，将焊盘周围部分的导体蚀刻掉形成隔热区。焊盘与大的导电面积的电连接通道的导线宽度也不能太窄，如果导线宽度过窄会影响载流量，如果导线宽度过宽又会失去热隔离的效果。根据实践经验，连接导线的总宽度应为连接盘(焊盘)直径的60%为宜，每条连接导线(辐条或散热条)的宽度为连接导线的总宽度除以通道数。这样做的目的是使热量集中在焊盘上以保证焊点的质量，而且在焊接时可以减少加热焊盘的时间，不至于使其余大面积的铜箔因热传导过快、受热时间过长而产生起泡、鼓胀等现象。
例如，与焊盘连接有2条电连接通道导线，则导线宽度为焊盘直径的60%除以2，多条导线以此类推。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%=0.48(mm)
按2条通道算，则每条宽度为
0.48÷2=0.24(mm)
按3条通道算，则每条宽度为
0.48÷3=0.16(mm)
按4条通道算，则每条宽度为
0.48÷4=0.12(mm)
如果计算出的每条连接通道的宽度小于制造工艺极限值，应减少通道数量使连接通道宽度达到可制造性要求。例如，计算出4条通道的宽度为0.12mm时，有的生产商达不到要求，此对就可以改为3条通道，则宽度为0.16mm，一般生产商都可以制造出达到该要求的产品。
(4)PCB的焊接面不宜设计大的导电面积，如图13-5所示。如果需要有大的导电面积，则应按上述第2条要求将其设计成网状，以防止焊接时因为大的导电面积热容量大，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，以避免焊料润湿导电面积。
图13-5 应避免大面积覆铜的设计实例
(5)应根据元器件电流密度规划最小通道宽度，特别注意要在接合点处通道布线。大电流线条应尽量表面化。在不能满足要求的条件下，可考虑采用汇流排。
(6)对PCB上的接地安装孔应采用较大焊盘，以充分利用安装螺栓和PCB表面的铜箔进行散热。应尽可能多安放金属化过孔且孔径、盘面应尽量大，以依靠过孔帮助散热。设计一些散热通孔和盲孔，可以有效提高散热面积和减少热阻，提高PCB的功率密度。如果在LCCC元器件的焊盘上设立导通孔，在电路生产过程中用焊锡将其填充，可使导热能力提高，且电路工作时产生的热量能通过盲孔迅速传至金属散热层或背面设置的铜箔从而散发掉。在一些特定情况下，还专门设计和采用了有散热层的PCB，散热材料一般为铜/铝等材料，如一些模块电源上采用的PCB。