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PCB热设计的基本要求

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发表于 2008-5-29 16:38:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

一,CTE的匹配
在迸行印制板设计时,尤其是表面安装用印制板设计,首先应考虑材料的GTE 匹配问题. IC封装的基板有3类:刚性有机封装基板、挠性有机封装基板,陶瓷封装基板。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、陶瓷和难熔破璃等。基板用的这些材料耐温较高, x 、Y 方向的热膨胀系数较低,在选挥印制极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材料的热膨胀系数差异引起的热应力.

许多元器件采用陶瓷基极封装.它的CTE 典型值为5-7xlO-6/oC,无引线陶瓷芯片载体LCCC的CTE 范围是3.5-7.8x10-6/oC有的器件基额材料采用与某些印制极基材相同的材料,如PI 、BT和耐热环氧树脂等,不同材料的GTE值见表7-1. 在选择印制板的基材时应尽量寺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.

 

 

 

 

散热设计
元器件在工作时部有不同程度的发热,温度过高就会影响元器件的性能和工作参数.所以在进行印制板布局和组装件的设计时必须蒂虑元器件的散热和冷却问题.把元器件产生的热量传递到其他介质,降低元器件本体的温度.在考虑散热问题时,应先分清印制板组装件上哪些是发热元件,哪些是热敏元件;分析板的总功率及其将在板上产生的热分布状态,有针对性地进行元器件的布局和采取散热、冷却措施.究竟果用哪种方式散热合适,要根据元器件产生热量的大小,元器件在印制板上的分布密度、整机的散热空间和工作环境,采取告适的散热方式,并且考虑尽量降低成本,不过多占用板的面积.散热的效果应能达到单板或整机在规定的环境条件下和时间内能正常工作.

(一)热的传递方式
在电于产品中只要有温度差别存在就有热传递,通过热传递可以达到对印制板组装件的散热和冷却.热传递有3 种方式传导、辐射和对流。
(1) 传导。是传热的第一种方式,不同的材料热传导系数不同,其热传导作用也不同.材料的热传导能力与导热系数(K) 、导热方向的截面积和温差成正比,与导热的长度和材料厚度成反比(lPC 标准提供的不同材料热传导革数见表7-2).
传导散热需要有较高导热率的材料或介质,常用铝合金或铜作为散热器材料.对于大工率在器件可以外加材料厚度较厚的散热器.

 

(2)辐射.热辐射是通过红外射线(IR)的电磁辐射传热.
在真空环境中(如太空中)辐射是物体唯的传热方式.辐射能量的大小与材料的热辐射系数(相对于"黑体"表面辐射系数的降低系数)、物体散热的有效表面积且热能的大小有关.在材料有相同热辐射系数的条件下.无光泽或暗表面比光亮或有光泽的表面热辐射更强.由此,可以得知选择散热器或散热面时,选元光泽的附表而散热效果会更好,相互靠近的元器件或发热装置(如大功率器件、变压器等)彼此都会吸收对方的热辐射能量.若要降低相邻元器件的热辐射影响就必须将发热元器件彼此分开,加大两者之间的距离.
(3) 对流.对流是在流体和气体中的热能传递方式,对流是最复杂的一种传热方式,热传输的速度与物体的表面积、温差、流体的速度和流体的特性有如下函数关系
Qe=he X As X (Ts-Ta)

 
热传输系数受固体的形状、物理特性.流体的种类、黏性、流速和温度、对流方式(强制对流或自然对流)等因素的影响.
对于空气介质不同对流方式的热传输系敛且表7-3.

  

从表中可以看出强制对流可以大大提高热传输系数.从而能提高散热效果.在大气条件下采用以上3 种方式或它们的组合都可以进行散热,在真空最件下·因为没有空气不能产生对流,所以只能采用传导或辐射方式散热.

(二)热设计的具体方法
进行印制板的热设计时,在考虑以上的基本要求后,根据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)根据焊接要求和印制板基材的耐热性,选择耐热性好、CTE 较小或与元器件CTE 相适应的印制板基材,尽量减小元器件与印制板基材之间的CTE 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
数之一,一般基材的Tg 低,热膨胀系败就大,特别是在Z 方向(板的厚度方向)膨胀更为明显,窑易使镀覆孔损坏;基材的Tg高,一般膨胀系数小,耐热性相对较好,但是Tg 过商基材会变脆,机械加工性下降.选材时要嫌顾基材的综合性能.
(2) 加大印制板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,元件体下面的大面积铜最好设计成网状(见图7- 1).

 

(3) 对于印制板表面宽度大于等于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.也能对知撞起到热屏蔽的作用,增加预执租焊接的时间.为了避免和减少这些热效应的作用,设计时应考虑在不影响电磁革容性的悄况下.对直径大于25mm 的导体面职采用开窗的方法设计成网状结构.导电面积上的焊接占用用热环隔离·可以防止因为圭热而使PCB 基材铜箔鼓胀、变形(见图7-1).
(4)印制板的焊接面不宜设计大的导电面积,如果需要有大的导电而职,则应按上述第2条要求设计成网状,以防止焊接时因为大的导电而积热容最大,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.
(5) 布局时将电解电容、品振和热敏电阻等对热敏感或怕热元器件远离大功率发热元件,如大功率MOS 器件、CPU 、VLSI 、DC/DC转换模块等.
(6) 发热盘过大的元愣件不贴握安装,并外加散热器或散热板,散热板的材料应选择表7-2 中所列的导热革数高的铝或铜制造,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.对体职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.

(7) 对大的导电面积和多层敏的内层地线应设计成网状并靠近板的边缘.可以降低因为导电面职盎热而引起的铜箔鼓泡、起翘或多层饭的内层分层.但是高速、商频电路信号线的镜像层租微波电路的接地层不能设计成网状,因为这样会破坏会信号回路的连续性、改变特性阻抗,易引起电磁兼容问题.
(8) 选择阻燃或耐热型的板材.对功率很大的印制板,应选择与元器件载体材料热膨胀系数相匹配的基材或做成盘属芯印制板.
(9) 对特大功率的器件利用热管技术(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印制板,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.
(1O) 对于在低温下佳期工作的板,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.
(II)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,将焊盘周田部分导体蚀刻掉形成隔热区.电连接通道的宽度也不能太窄,如果通道宽度过理会影响载流量,如果连接通道过宽会失去热隔离的效果,根据实践连接通道且宽度应为连接盘(焊盘)直径的百分之六十为宜,每条连接通道(辐条或散热条)宽度为连接通道且宽度除以通道数.目的是使热量集中在焊盘上保证饵点的质量,在焊接lit可以减少1m热焊盘的时间,不至于引起其余的大面积铜销因热传导过快受热时间过长而产生起泡、鼓胀等现象.
以图7-2 中图形为例,有2条连接通道,则通迫宽度为焊盘直径的60% 除以2 ,要通道依此类推。假设连接盘直径为O.8mm (设计值加制造公差) ,则连接通迫的且宽度为o.8X60%=O.48mm

 

 
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.如以上计算4条通道的宽度为O. 12mm 时,有的生产商这不到,就可以改为3条通道则为O.16mm 一般生产商都可以制造.
(12) 外加的散热辑与印制板的地绞面相接触.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考虑涂覆导热脂,用以减少热阻提高散热效果.

(13) 元器件布局时在板上应留出通风散热的通道(见图7-3)。通风入 口处不能设置过高的元件,以免影响散热.自然空气对流冷却时,将元器件长度方向纵向排列,采用强制风冷时,元器件纵向排列.发热盘大的元器件设置在气流的末端,对热敏感或发热量小的元部件设直在冷却气流的前端(如风口处).避免空气提前预热,降低冷却效果.强制风冷的功率应根据印制极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阳,经过流体热力学计算来确定,一般选用直径2-6in的直流风扇。

 


(14)为了增加板的散热功能·并减少由分布不平衡引起印制板的翘曲.在同层上布设的导体面职不应小于植面积的50%.

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发表于 2008-5-30 20:40:00 | 显示全部楼层
受教了
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发表于 2008-6-3 03:52:00 | 显示全部楼层

谢谢

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发表于 2013-10-17 10:33:13 | 显示全部楼层
受益匪浅啊!
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发表于 2013-11-17 21:25:46 | 显示全部楼层
看完有收获。谢谢!
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