PCB设计中的热管理(lǐ)技术

2020-03-23

印刷電(diàn)路板（PCB）是電(diàn)子系统的基本组件。PCB的性能(néng)增强了整个设备的性能(néng)。随着设备的小(xiǎo)型化，单位面积产生的热量增加了。反过来，这会使设备内的组件发生故障，从而缩短设备的使用(yòng)寿命。電(diàn)子设备中主要的发热组件是微处理(lǐ)器，晶體(tǐ)管，電(diàn)阻器，電(diàn)池，焊点和铜走線(xiàn)。当数百万个这样的组件在一个小(xiǎo)區(qū)域内堆积在一起时，产生的热量将成倍增加。可(kě)以通过维持严格的热设计程序并在设备内提供電(diàn)路冷却设施来缓解热量过多(duō)的问题。

PCB的热管理(lǐ)需求

PCB的性能(néng)通过其速度，精度和寿命等参数进行评估。電(diàn)路中产生的过多(duō)热量会影响電(diàn)路的性能(néng)。由于電(diàn)流的流动，PCB中会产生热量。電(diàn)路中产生的热量為(wèi)

发热= I 2 R

其中，I是電(diàn)路中流动的電(diàn)流，R是電(diàn)路热阻。

热阻也表示為(wèi)。ϴ的值為(wèi)

ϴ = l / A * K

哪里

 是热路径的長(cháng)度

A是路径的横截面积，并且

K是导热系数

工程师的设计目标将是通过优化任何这些参数以获得更好的性能(néng)来降低電(diàn)路的热阻。高频运行的设备可(kě)能(néng)会由于自耦合和相互耦合而发热。

减少热量的产生可(kě)以通过组件的选择，放置和方向来实现。尤其是对于高速，高性能(néng)应用(yòng)，考虑到高工作频率和设备紧凑性，热管理(lǐ)变得至关重要。

PCB热剖面分(fēn)析

PCB的热分(fēn)析可(kě)以在仿真阶段或在器件测试阶段进行。该分(fēn)析為(wèi)设计工程师提供了PCB内部热量形成和传递的概念。然后，他(tā)们可(kě)以使用(yòng)结果和模拟来提出有(yǒu)助于他(tā)们更好地管理(lǐ)热量的技术。使用(yòng)的一些分(fēn)析技术是：

视力检查

在操作过程中目视检查设备，以查找是否有(yǒu)燃烧，过热或组件损坏的迹象。组件变色和燃烧的气味是设备故障的一些迹象。可(kě)以识别并纠正诸如短路之类的简单问题。

红外摄像机测试

热像仪红外热像仪可(kě)以查明热泄漏的位置。IR分(fēn)析对于发现假冒或有(yǒu)缺陷的组件很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。焊锡不足，電(diàn)阻更高和散热更多(duō)的走線(xiàn)，可(kě)以使用(yòng)IR分(fēn)析来识别。

热分(fēn)析仪测试

这是原型前仿真级别的检查。软件仿真可(kě)以报告设计中潜在的发热區(qū)域。使用(yòng)此报告，可(kě)以在实际生产PCB时进行设计调整。仿真大大节省了时间和成本。仿真还可(kě)以提供有(yǒu)关在不同环境温度下设备性能(néng)的数据。这将增强设备的可(kě)靠性

PCB散热设计技术

设计技术和组件选择可(kě)以帮助减少PCB中的热量产生。常用(yòng)技术包括散热孔，散热器，热管和铜接地板等。在某些设备中还提供了冷却风扇以引起外部冷却。某些设备（例如，筆(bǐ)记本電(diàn)脑）中同时使用(yòng)了散热器，热管和风扇，这两种技术的结合也被采用(yòng)。

金属作為(wèi)导热垫

 铜是良好的热导體(tǐ)。在PCB下方使用(yòng)较厚的铜垫作為(wèi)散热垫。此技术称為(wèi)外部散热器。铜板将热量散布到整个板上，从而减少了任何特定的组件损坏。

PCB材料的选择

设计人员选择的PCB材料应具有(yǒu)以下特性：在很(hěn)宽的温度和相对湿度范围内具有(yǒu)稳定的介電(diàn)性能(néng)，在很(hěn)大的温度范围内具有(yǒu)稳定的热机械性能(néng)，并且与构成PCB的其他(tā)材料具有(yǒu)热兼容性。耐热的PCB材料可(kě)降低温度变化的风险。

内部散热片/散热孔通过阵列设计

内部散热器是金属通孔，可(kě)将热量从顶层传导到绝缘层，以将热量分(fēn)布在下面的铜平面上。散热孔可(kě)以是简单且空心的，也可(kě)以填充环氧树脂并镀铜。通孔可(kě)改善热传导。散热孔可(kě)显着降低热阻。通孔离热源越近，导热性越好，系统的热性能(néng)也越好。

冷却系统

 冷却系统可(kě)以与设备集成在一起以改善散热。冷却系统可(kě)以是强制空气冷却型或流體(tǐ)冷却型。通过策略性地放置冷却风扇以释放热量来完成强制空气冷却。流體(tǐ)冷却通过热交换器过程完成。对于紧凑的低功率设备，风扇是优选的，而对于产生高热量的关键设备，则优选流體(tǐ)冷却。

优化散热设计的挑战

缩小(xiǎo)PCB面积

電(diàn)路性能(néng)和速度

性价比

抗环境温度