一、熱設計的重要性

電子設備在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉化成熱量散發(fā)。電子設備產(chǎn)生的熱量，使內部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設備會(huì )繼續升溫，器件就會(huì )因過(guò)熱失效，電子設備的可靠性將下降。

SMT使電子設備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設備溫升嚴重地影響可靠性，因此，對熱設計的研究顯得十分重要。

二、印制電路板溫升因素分析 

引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強度隨功耗的大小變化。

印制板中溫升的2種現象：   

（1）局部溫升或大面積溫升；   

（2）短時(shí)溫升或長(cháng)時(shí)間溫升。 

在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。   

1、電氣功耗 

（1）分析單位面積上的功耗；   

（2）分析PCB板上功耗的分布。   

2、印制板的結構   

（1）印制板的尺寸；   

（2）印制板的材料。

3、印制板的安裝方式 

（1）安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）；   

（2）密封情況和離機殼的距離。   

4、熱輻射 

（1）印制板表面的輻射系數； 

（2）印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度；   

5、熱傳導 

（1）安裝散熱器； 

（2）其他安裝結構件的傳導。   

6、熱對流   

（1）自然對流；   

（2）強迫冷卻對流。 

從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑，往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴(lài)的，大多數因素應根據實(shí)際情況來(lái)分析，只有針對某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數。

三、熱設計原則   

1、選材 

（1）印制板的導線(xiàn)由于通過(guò)電流而引起的溫升加上規定的環(huán)境溫度應不超過(guò)125 ℃（常用的典型值。根據選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時(shí)應考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應不超過(guò)125 ℃。盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔。

（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。   

（3）采用多層板結構有助于PCB熱設計。   

2、保證散熱通道暢通 

（1）充分利用元器件排布、銅皮、開(kāi)窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道，保證熱量順利導出PCB。   

（2）散熱通孔的設置 

  設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在LCCC器件的焊盤(pán)上設立導通孔。在電路生產(chǎn)過(guò)程中焊錫將其填充，使導熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過(guò)通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發(fā)掉。在一些特定情況下，專(zhuān)門(mén)設計和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板。   

（3）導熱材料的使用 

  為了減少熱傳導過(guò)程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導熱材料，提高熱傳導效率。   

（4）工藝方法 

  對一些雙面裝有器件的區域容易引起局部高溫，為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻入少量的細小銅料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。使器件與印制板間的間隙增加，增加了對流散熱。   

3、元器件的排布要求

（1）對PCB進(jìn)行軟件熱分析，對內部最高溫升進(jìn)行設計控制；   

（2）可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專(zhuān)門(mén)設計安裝在一個(gè)印制板上； 

（3）板面熱容量均勻分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如無(wú)法避免，則要把矮的元件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區；  

（4）使傳熱通路盡可能的短；   

（5）使傳熱橫截面盡可能的大； 

（6）元器件布局應考慮到對周?chē)慵彷椛涞挠绊?。對熱敏感的部件、元器件（含半導體器件）應遠離熱源或將其隔離；   

（7）（液態(tài)介質(zhì)）電容器的最好遠離熱源；   

（8）注意使強迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致；   

（9）附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；   

（10）盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離； 

（11）發(fā)熱器件應盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件允許時(shí)應處于氣流通道上； 

（12）熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣，只要有可能應安裝于散熱器上，并遠離其他器件，并保證散熱通道通暢； 

（13）（小信號放大器外圍器件）盡量采用溫漂小的器件；   

（14）盡可能地利用金屬機箱或底盤(pán)散熱。   

4、布線(xiàn)時(shí)的要求

（1）板材選擇（合理設計印制板結構）；   

（2）布線(xiàn)規則； 

（3）根據器件電流密度規劃最小通道寬度；特別注意接合點(diǎn)處通道布線(xiàn)； 

（4）大電流線(xiàn)條盡量表面化；在不能滿(mǎn)足要求的條件下，可考慮采用匯流排； 

（5）要盡量降低接觸面的熱阻。為此應加大熱傳導面積；接觸平面應平整、光滑，必要時(shí)可涂   覆導熱硅脂； 

（6）熱應力點(diǎn)考慮應力平衡措施并加粗線(xiàn)條；  

（7）散熱銅皮需采用消熱應力的開(kāi)窗法，利用散熱阻焊適當開(kāi)窗； 

（8）視可能采用表面大面積銅箔； 

（9）對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤(pán)，以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱； 

（10）盡可能多安放金屬化過(guò)孔，且孔徑、盤(pán)面盡量大，依靠過(guò)孔幫助散熱； 

（11）器件散熱補充手段； 

（12）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟性考慮可不采用附加散熱器的方法； 

（13）根據器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結溫來(lái)計算合適的表面散熱銅箔面積（保證原則tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

四、熱仿真（熱分析） 

熱分析可協(xié)助設計人員確定PCB上部件的電氣性能，幫助設計人員確定元器件或PCB是否會(huì )因為高溫而燒壞。簡(jiǎn)單的熱分析只是計算PCB的平均溫度，復雜的則要對含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設備建立瞬態(tài)模型。 

無(wú)論分析人員在對電子設備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼，熱分析的準確程度最終還要取決于PCB設計人員所提供的元件功耗的準確性。在許多應用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的實(shí)際功耗很小，可能會(huì )導致設計的安全系數過(guò)高，從而使PCB的設計采用與實(shí)際不符或過(guò)于保守的元件功耗值作為根據進(jìn)行熱分析，與之相反（同時(shí)也更為嚴重）的是熱安全系數設計過(guò)低，也即元件實(shí)際運行時(shí)的溫度比分析人員預測的要高，此類(lèi)問(wèn)題一般要通過(guò)加裝散熱裝置或風(fēng)扇對PCB進(jìn)行冷卻來(lái)解決。這些外接附件增加了成本，而且延長(cháng)了制造時(shí)間，在設計中加入風(fēng)扇還會(huì )給可靠性帶來(lái)一層不穩定因素，因此PCB現在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式（如自然對流、傳導及輻射散熱），以使元件在較低的溫度范圍內工作。   熱設計不良最終將使得成本上升而且還會(huì )降低可靠性，這在所有PCB設計中都可能發(fā)生，花費一些功夫準確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強的產(chǎn)品。應使用準確的熱模型和元件功耗，以免降低PCB設計效率。  

1、元件功耗計算

準確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復迭代的過(guò)程，PCB設計人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。設計人員先猜測一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計值，并將元件功耗輸入到細化的熱模型中，計算出PCB和相關(guān)元件“結點(diǎn)”（或熱點(diǎn)）的溫度，第二步使用新溫度重新計算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過(guò)程的輸入。在理想的情況下，該過(guò)程一直進(jìn)行下去直到其數值不再改變?yōu)橹埂?  然而PCB設計人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力，他們沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復的元器件電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環(huán)境溫度，使設計人員用于計算元器件的功耗，通過(guò)進(jìn)一步重復計算元件溫度知道是否還需要作其他工作。 

一般電子元器件制造商都提供有元器件規格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會(huì )受環(huán)境溫度或元件內部溫度的影響，消費類(lèi)電子產(chǎn)品常采用塑封元件，其工作最高溫度是85 ℃；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件，工作最高溫度為125 ℃，額定最高溫度通常是105 ℃。PCB設計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線(xiàn)確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。 計算元件溫度最準確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。 

一個(gè)比較好的折衷方法是在穩態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。 

 PCB受到各種類(lèi)型熱量的影響，可以應用的典型熱邊界條件包括：   前后表面發(fā)出的自然或強制對流；   前后表面發(fā)出的熱輻射；  從PCB邊緣到設備外殼的傳導； 

通過(guò)剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導；   從PCB到支架（螺栓或粘合固定）的傳導；  2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導。 

目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及分析工具包括分析任意結構的通用工具、用于系統流程/傳熱分析的計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具，以及用于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具。   

2、基本過(guò)程 

在不影響并有助于提高系統電性能指標的前提下，依據提供的成熟經(jīng)驗，加速PCB熱設計。 

在系統及熱分析預估及器件級熱設計的基礎上，通過(guò)板級熱仿真預估熱設計結果，尋找設計缺陷，并提供系統級解決方案或變更器件級解決方案。 

通過(guò)熱性能測量對熱設計的效果進(jìn)行檢驗，對方案的適用性和有效性進(jìn)行評價(jià)； 

通過(guò)預估-設計-測量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度；補充PCB熱設計經(jīng)驗。