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PCB熱設(shè)計(jì)的具體方法

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PCB熱設(shè)計(jì)的具體方法

電源適配器在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電源適配器產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過(guò)熱失效，電源適配器的可靠性將下降。
電源適配器進(jìn)行PCB的熱設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮以上的基本要求后，根據(jù)電源適配器電路的特點(diǎn)有針對(duì)性地采取措施，具體方法通常有以下幾種。
（1）通過(guò)PCB板本身散熱。目前廣泛應(yīng)用的PCB板材是覆銅／環(huán)氧玻璃布基材或酚醛樹(shù)脂玻璃布基材，還有少量使用的紙基覆銅板材。這些基材雖然具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發(fā)熱元件的散熱途徑，幾乎不能指望由PCB本身樹(shù)脂傳導(dǎo)熱量，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。但隨著電子產(chǎn)品已進(jìn)入到部件小型化、高密度安裝、高發(fā)熱化組裝時(shí)代，若只靠表面積十分小的元件表面來(lái)散熱是非常不夠的。同時(shí)由于QFP、BGA等表面安裝元件的大量使用，元器件產(chǎn)生的熱量大量地傳給PCB板，因此，解決散熱的最好方法是提高與發(fā)熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過(guò)PCB板傳導(dǎo)出去或散發(fā)出去。

（2）根據(jù)電源適配器焊接要求和PCB基材的耐熱性，選擇耐熱性好、熱膨脹系數(shù)較小或與元器件熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)的PCB基材，盡量減小元器件與PCB基材之間的熱膨脹系數(shù)相對(duì)差?；牡牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度（Tg）是衡量基材耐熱性的重要參數(shù)?；牡腡g低，熱膨脹系數(shù)就大，特別是在Z方向（板的厚度方向）膨脹更為明顯，容易使鍍覆孔損壞；基材的Tg高，一般膨脹系數(shù)小，耐熱性相對(duì)較好，但是Tg過(guò)高基材就會(huì)變脆，機(jī)械加工性下降，選材時(shí)要兼顧基材的綜合性能。

（3）加大電源適配器PCB上與大功率元器件接地散熱面的銅箔面積。如果采用寬的印制導(dǎo)線作為發(fā)熱元器件的散熱面，則應(yīng)選擇銅箔較厚的基材，熱容量大，利于散熱。但是為防止銅箔過(guò)熱起泡、板翹曲，在不影響電性能的情況下，元器件下面的大面積銅箔最好設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀，如圖所示。
（4）對(duì)于PCB表面寬度不小于3mm的電源適配器，在波峰焊接或再流焊接過(guò)程中會(huì)增加導(dǎo)體層起泡、板翹曲的可能性。為了避免和減少這些熱效應(yīng)的作用，設(shè)計(jì)電源適配器時(shí)應(yīng)考慮在不影響電磁兼容性的情況下，對(duì)直徑大于25mm的導(dǎo)電面積采用開(kāi)窗的方法設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)電面積上焊接時(shí)采用熱隔離措施，可以防止因?yàn)檫^(guò)熱而使PCB基材銅箔鼓脹、變形。
（5）PCB的焊接面不宜設(shè)計(jì)大的導(dǎo)電面積。如果需要有大的導(dǎo)電面積，則應(yīng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀，以防止焊接時(shí)因?yàn)榇蟮膶?dǎo)電面積熱容大、吸熱過(guò)多延長(zhǎng)焊接的加熱時(shí)間，而引起銅箔起泡或與基材分離，并且表面應(yīng)有阻焊層覆蓋，避免焊料潤(rùn)濕導(dǎo)電面積。
（6）PCB布局時(shí)應(yīng)將電解電容、熱敏電阻等對(duì)熱敏感元器件或怕熱元器件遠(yuǎn)離大功率發(fā)熱元器件。
（7）發(fā)熱量過(guò)大的元器件應(yīng)外加散熱器或散熱板。散熱板的材料應(yīng)選擇熱導(dǎo)率高的鋁或銅，為了減少元器件與散熱器之間的熱阻，必要時(shí)可以涂覆導(dǎo)熱絕緣脂。對(duì)于體積小而發(fā)熱量大的元器件，可以將元器件的接地外殼通過(guò)導(dǎo)熱絕緣脂與金屬外殼接觸散熱。
（8）對(duì)于大的導(dǎo)電面積和多層有內(nèi)層地線的PCB，應(yīng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀并靠近PCB的邊緣，可以降低因?yàn)閷?dǎo)電面積過(guò)熱而引起的銅箔鼓泡、起翹或多層板的內(nèi)層分層。
（9）對(duì)于功率大的電源適配器PCB，應(yīng)選擇與元器件載體材料熱膨脹系數(shù)相匹配的基材或采用金屬芯PCB。
（10）對(duì)于特大功率的電源適配器元器件，利用熱管技術(shù)通過(guò)傳導(dǎo)冷卻的方式給元器件散熱。對(duì)于在高真空條件下工作的PCB，因?yàn)闆](méi)有空氣，不存在熱的對(duì)流傳遞，采用熱管技術(shù)是一種有效的散熱方式。
（11）對(duì)于在低溫下長(zhǎng)期工作的PCB，應(yīng)根據(jù)溫度范圍和元器件的工作溫度要求，采取適當(dāng)?shù)纳郎卮胧?br /> （12）對(duì)于面積較大的連接盤(pán)（焊盤(pán)）和大面積銅箔（大于φ25mm）上的焊點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計(jì)焊盤(pán)隔熱環(huán)，在保持焊盤(pán)與大的導(dǎo)電面積電氣連接的同時(shí)，將焊盤(pán)周圍部分導(dǎo)體蝕刻掉形成隔熱區(qū)。電連接通道的寬度也應(yīng)該適當(dāng)，連接通道過(guò)窄會(huì)影響載流量，連接通道過(guò)寬會(huì)失去熱隔離的效果。連接通道的寬度應(yīng)為連接盤(pán)（焊盤(pán)）直徑的60％與通道數(shù)的商，目的是使熱量集中在焊盤(pán)上，保證焊點(diǎn)的質(zhì)量。在焊接時(shí)還應(yīng)減少焊接時(shí)間，以防止其余的大面積銅箔因熱傳導(dǎo)過(guò)快、受熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起銅箔起泡、鼓脹等現(xiàn)象。
（13）避免PCB上熱點(diǎn)的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設(shè)計(jì)過(guò)程中要達(dá)到嚴(yán)格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區(qū)域，以免出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)影響整個(gè)電路的正常工作。如果有條件的話，進(jìn)行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現(xiàn)在一些專業(yè)PCB設(shè)計(jì)軟件中增加的熱效能指標(biāo)分析軟件模塊，就可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。
以如圖所示的圖形為例，有兩條連接通道，則通道寬度為焊盤(pán)直徑的60％除以2。假設(shè)連接盤(pán)直徑為0.8mm（設(shè)計(jì)值加制造公差），則連接通道的總寬度為0.8×60％＝0.48mm。有兩條通道，則每條寬度為0.48/2＝0.24mm；有3條通道，則每條寬度為0.48/3＝0.16mm；有4條通道，則每條寬度為0.48/4＝0.12mm。

圖連接盤(pán)上的隔熱環(huán)

如果計(jì)算出電源適配器每條連接通道的寬度小于制造工藝的極限值，則應(yīng)減少通道數(shù)量，使連接通道寬度達(dá)到可制造的要求。例如，計(jì)算4條通道每條通道的寬度為0.12mm時(shí)，有的電源適配器生產(chǎn)商制造工藝達(dá)不到，就可以改為3條通道，通道寬度為0.16mm，一般電源適配器生產(chǎn)商都可以制造。
（14）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法；外加的散熱器應(yīng)與PCB的接地面相接觸。除用必要的機(jī)械連接外，應(yīng)在散熱器與接地面之間或絕緣墊之間涂覆導(dǎo)熱脂，用以減少熱阻，提高散熱效果。
（15）在電源適配器PCB布局時(shí)，應(yīng)在板上留出通風(fēng)散熱的通道，如圖1-6所示。通風(fēng)入口處不能設(shè)置過(guò)高的元器件，以免影響散熱。對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（或其他器件）按縱長(zhǎng)方式排列，或按橫長(zhǎng)方式排列。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(dǎo)出 PCB。
（16）要盡量降低接觸面的熱阻。為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積；接觸平面應(yīng)平整光滑，必要時(shí)可涂覆導(dǎo)熱硅脂。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.06.28    來(lái)源：電源適配器廠家
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