PCB 设计进阶：PCB热设计优化
作者：[db:作者]日期：2025/01/27 浏览：
对硬件工程师而言，PCB 计划程度直接影响电子产物的机能与稳固性。在之前的系列文章中，咱们探究了 PCB 计划的浩繁要害要点，本文将持续深刻，聚焦一些轻易被疏忽却又至关主要的方面，助力硬件工程师进一步晋升 PCB 计划技巧。本文援用地点：一、规划计划①高功率发烧元件能否放置在凑近 PCB 边沿或透风口等易于散热的地区？可应用 CFD（盘算流体能源学）模仿软件，剖析差别放置地位的氛围活动与散热后果，从而断定最佳地位。②发烧元件之间能否坚持充足的间距以防止热量凑集？可根据热仿真剖析成果，设定适合的间距值，保障热量无效披发。发烧器件应尽可能疏散安排，使 得单板名义热耗平均，有利于散热。③敏感元件能否阔别发烧元件？经由过程热影响地区剖析，断定敏感元件与发烧元件之间的保险间隔。不要使热敏感器件或功耗年夜的器 件相互凑近放置，使得热敏感器件 阔别低温发烧器件，罕见的热敏感 的器件包含晶振、内存、CPU等。要把热敏感元器件部署在最冷地区。对天然对流冷却装备，假如外壳密封，要把热敏感器件置于底部，别的元器件置于上部；假如外 壳不密封，要把热敏感器件置于冷 氛围的进口处。对逼迫对流冷却设 备，能够把热敏感元器件置于气流进口处。④ 参考板内流速散布特色停止器件规划计划，在特定风道内 面积较年夜的单板名义流速弗成防止存在不平均成绩，流速年夜的 地区有利于散热，充足斟酌这一要素停止规划计划将会使单板 取得较精良的散热计划。⑤对经由过程PWB散热的器件，因为依附的是PWB的团体面积来散热，因而即便器件处于部分风速低的地区内，也并纷歧定会有散热成绩，在停止充足热剖析验证的基本上，不须要片 面请求单板名义风速平均。⑥当沿着气流来流偏向安排的一系列器件都须要加散热器时，器件只管 沿着气流偏向错列安排，能够下降高低游器件彼此间的影响。如无奈交织 陈列，也须要防止将矮小的元器件（构造件等）放在高发烧元器件的上方。⑦对装置散热器的器件，氛围流经该器件时会发生绕流，对该器件两 侧的器件会起到换热系数强化感化；对该器件卑鄙的器件，换热系数可能会增强，也可能会削弱，因而对被散热器遮挡的器件须要给出特殊存眷。⑧留神单板风阻平均化的成绩：单板上器件只管疏散平均安排，防止沿 风道偏向留有较年夜的空域，从而影响单板元器件的团体散热后果。在电子装备运转时，芯片跟其余元件会发生热量，假如热量不克不及无效披发，会招致元件机能降落乃至破坏。在规划时，要将发烧量年夜的元件（如功率芯片、年夜功率电阻等）放置在利于散热的地位，比方凑近进风口，或许风速较年夜的地位。同时，要防止将对温度敏感的元件（如晶体振荡器、某些传感器）放置在发烧元件邻近，避免其机能受温度影响。比方，在计划一款产业把持板时，将功率 MOSFET 会合放置在 PCB 边沿，并在其下方设置年夜面积的散热铜箔，同时在铜箔上增加过孔，构成 “热过孔”，无效加强了散热后果。经由过程这种方法，该把持板在长时光高负载运转下，要害元件的温度仍能坚持在公道范畴内，确保了体系的稳固性。别的，稳固的温度情况对旌旗灯号完全性也有踊跃影响。过热可能招致元件参数漂移，进而影响旌旗灯号传输的正确性跟稳固性 ，精良的热治理能为旌旗灯号的稳固传输供给基本前提。2、差别封装的器件采取适合的散热计划好的单板散热计划必需针对器件的散热特征停止计划! THD器件的管脚数目少，焊接后封装也不紧贴单板，与单板的热关系性很 小，该类器件的热量都是经由过程器件名义散到情况中。因而晚期的器件散热研讨 比拟重视于器件名义的氛围活动，以期取得比拟高的器件名义对流换热系数。SMD器件集成度高，热耗也年夜，是散热存眷的重点。该类器件的管脚/焊 球数目多，焊接后封装也紧贴单板，与单板树立起严密的换热接洽，散热计划 必需从单板团体散热的角度停止剖析。SMD器件针对散热需要也呈现了多种强 化散热的封装，这些封装的品种单一，但从散热角度停止演绎分类，以引脚封 装跟焊球封装最为典范，别的封装的散热特征能够参考这两品种推。PGA类的针状管脚器件基础疏忽单板散热，以名义散热为主，比方CPU等。【计划教训】共用散热器，须要斟酌器件公役及导热硅胶的厚度。EGPU单板，公司热计划的仿真论断温度比拟高，而应用雷同的仿真模子，Intel散热仿真模子的温度比拟低，经由下战书与Intel探讨，剖析起因是Intel树立的仿真模子，CPU与散热器的导热胶厚度为0.13mm，而咱们现在仿真模子中应用的仿真模子是0.3mm。招致：Intel仿真模子中CPU的温度是95摄氏度，而咱们的仿真成果是：年夜于116摄氏度。而0.3mm是参考两个器件公役，得出的教训值，拔取了概率比拟高的一个参考值。而Intel以为：假如螺钉装置采取弹性橡胶垫，在PCH上增加导热垫（较厚），CPU上增加导热胶，能保障CPU与散热器粘合充足。1、是否到达0.2mm，或许到达0.13mm，须要构造跟工艺确认。2、怎样可能到达0.13mm的空隙，须要Intel供给根据，或许可能供给案例跟处理计划。三、PCB帮助散热对电子装备来说，任务时都市发生必定的热量，从而使装备外部温度敏捷回升，假如不迭时将该热量披发出去，装备就会连续的升温，器件就会因过热而生效，电子装备的牢靠机能就会降落。因而，对电路板停止很好的散热处置长短常主要的。1 、加散热铜箔跟采取年夜面积电源地铜箔。依据上图能够看到：衔接铜皮的面积越年夜，结温越低依据上图，能够看出，覆铜面积越年夜，结温越低。2、热过孔热过孔能无效的下降器件结温，进步单板厚度偏向温度的平均性，为在 PCB 反面采用其余散热方法供给了可能。经由过程仿真发明，与无热过孔比拟，在器件热功耗为 2.5W 、间距 1mm 、核心计划 6x6 的热过孔能使结温下降 4.8°C 阁下，而 PCB 的顶面与底面的温差由本来的 21°C 减低到 5°C 。热过孔阵列改为 4x4 后，器件的结温与 6x6 比拟降低了 2.2°C ，值得存眷。3、IC反面露铜，减小铜皮与氛围之间的热阻在热治理方面，行业尺度如 IPC-2221B《印制板计划通用尺度》虽未专门针对热治理停止具体划定，但在团体计划准则中夸大了电气、机器跟热机能之间的均衡 。工程师在计划时应参考该尺度，确保热治理办法不会对 PCB 的其余机能发生负面影响。比方，年夜面积散热铜箔的计划不克不及影响 PCB 的机器强度，热过孔的设置要斟酌对其余线路跟元件的影响。四、热阻剖析能否对 PCB 团体热阻停止了盘算跟剖析？要害门路的热阻能否在可接收范畴内？热量通报进程中，温度差是进程的能源，好象电学中的电压，换热 量是被通报的量，似乎电学中的电流，因此上式中的分母能够用电学中 的电阻观点来懂得成导热进程的阻力，称为热阻（thermal resistance）， 单元为℃/W, 其物理意思就是通报1W 的热量须要几多度温差。在热计划中将热阻标志为R或θ。δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热热阻。器件的材料中个别都市供给器件的Rjc跟Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻跟壳与外界情况的对流换热热阻之跟。这些热阻参数能够依据试验测试取得，也能够依据具体的器件外部构造盘算失掉。依据这些热阻参数跟器件的热耗，就能够盘算失掉器件的结温。两个名义上相打仗的固体名义， 现实上打仗仅产生在一些团圆的面积 元上，如右图所示，在未打仗的界面 之间的空隙中常充斥了氛围，热量将 以导热跟辐射的方法穿过该空隙层， 与幻想中真正完整打仗比拟，这种附 加的热通报阻力称为打仗热阻。下降 打仗热阻的方式重要是增添打仗压力 跟增添界面资料（如硅脂）添补界面 间的氛围。在波及热传导时，必定不 能疏忽打仗热阻的影响，须要依据应 用情形抉择适合的导热界面资料，如 导热脂、导热膜、导热垫等。咱们能够优化：导热资料的选型、涂抹或许粘贴的工艺、优化厚度、增添气流、改良散热器、下降热源功率等等。总之，PCB 计划是一个综合性的工程，须要硬件工程师在规划、布线、热治理。经由过程遵守相干行业尺度，一直进修跟实际，积聚教训，处理现实计划中碰到的种种成绩，才干逐渐晋升 PCB 计划技巧，打造出高机能、高牢靠性的电子产物。
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