印制线路板的散热设计 |
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印制线路板的散热设计 王艾戎，龚莹 （国营第407厂研究所，陕西咸阳712099）
1前言
PWB是指在绝缘基材上形成的导电图形，其作用是安装电子元件，使元件的端子之间连接起来形成电路。随着电子设备向轻薄短小化发展，PWB装载元件密度提高，使PWB上热量高度聚集。如果PWB散热设计不良，会使电子元件焊接部位的焊锡熔化，塑料外壳和PWB基材燃烧。为了保证电子设备的性能长期稳定，要求不断提高PWB的散热性，同时采用适当的技术降低高发热元件的温度。以下探讨PWB的散热设计与对策。
2 PWB的散热设计
2.1估计导体图形的温度上升值
PWB上的导体图形是由铜箔制作的，导体本身并不发热。由于导体图形存在电阻，通电时就会发热。毫安（mA）和微安（μA）量级的小电流通过时，发热问题可以忽略不计。但是，当安培量级的电流通过导体时，发热问题不能忽视。当导体图形的温度上升到85℃左右时，普通的绝缘板自身开始变黄，继续通电时，绝缘基材劣化，失去对元件的支撑功能。因此，设计PWB时要对导体图形的温度上升值作出估计。
图1示出导体宽度和导体截面积与允许电流之间的关系，由图1可以估计导体的温度上升值，也可用于导体图形的线宽设计。例如，设计1个多层PWB板，允许通过的电流为2A，允许的温升为10℃时，由A点可确定PWB的导体截面积；在导体截面积相同的条件下，由C点可确定PWB的铜箔厚度为35μm时，导体线宽应设计为2mm，由B点可确定PWB铜箔厚度为70μm时，导体线宽应设计为1mm。 导体的截面积/10－3mm2
图1 导体宽度和导体截面积与允许电流之间的关系
（多层板内层导体用）
2.2计算PWB的等效导热系数
随着电子设备组装密度的提高，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PWB自身的散热能力。PWB的散热能力，用等效导热系数评价，环氧玻璃布PWB表面的等效导热系数（λeq）计算公式如式（1）所示。
等效导热系数=〔∑i层的导热系数×i层的厚度×i层的导体图形剩余率〕/PWB的总厚度（1）
i层的导体图形剩余率，对铜箔层为铜箔的剩余率；对绝缘层，其剩余率为1。 图2 4层印制线路板的等效导热系数计算
以单面、双面和4层环氧玻璃布基PWB为例，计算其等效导热系数，计算结果分别见表1、表2和表3。 表1 单面PWB的等效导热系数W/m℃ PWB厚度/mm 1.6 1.2 铜箔厚度/μm 35 18 35 18 铜箔剩余率/％ 100 9.2 5 12.1 6.5 70 6.6 3.6 8.6 4.7 20 2.2 1.4 2.8 1.7 表2 双面PWB的等效导热系数W/m℃PWB厚度/mm 1.6 1.2 铜箔厚度/μm 双面均为35 双面均为18 双面均为35 双面均为18 铜箔剩余率/％ 100 17.9 9.4 23.7 12.4 70 12.7 6.8 16.7 8.8 20 4 2.3 5.1 2.9 表3 四层PWB的等效导热系数W/m℃PWB厚度/mm 1.6 1.2 铜箔厚度/μm 2面均为35 2层352层18 4层均为18 4层均为35 2层352层18 4面均为18 铜箔剩余率/％ 100 35.3 26.8 18.4 46.9 35.6 24.4 70 24.8 18.9 13 32.9 25.1 17.2 45 16.1 12.3 8.5 21.3 16.3 11.2 20 7.4 5.7 4.1 9.7 7.5 5.2
由表1到表3可以看出，环氧玻璃布基PWB的等效导热系数与PWB的总厚度、铜箔剩余率及铜箔厚度有关。当PWB的总厚度、铜箔剩余率及铜箔厚度相同时，等效导热系数随PWB层数的增加而增大；当PWB的总厚度和铜箔厚度相同时，等效导热系数随PWB铜箔剩余率增加而增大；当PWB总厚度和PWB铜箔剩余率相同时，等效导热系数与铜箔厚度成正比；当PWB铜箔厚度和铜箔剩余率相同时，等效导热系数与PWB总厚度成反比，即PWB的厚度越薄，其等效导热系数越大。
2.3导热孔设计及散热能力计算
PWB厚度方向的导热系数比表面的导热系数小得多，为了改善厚度方向的导热性，可以在PWB上设计导热孔。导热孔是穿透PWB的小孔，一般直径为1.0mm～0.4mm，孔壁镀铜。由于直径小的铜导管沿PWB厚度方向穿透其表面，使PWB正面的热量发生短路，发热元件产生的热量向PWB的背面散发。在安装IC裸片的PWB上，IC的正下方可以设计多个导热孔，1个直径为1mm、镀20μm厚的铜导热孔，其热阻约为48℃/W。
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3 PWB散热设计对策
PWB单独不能工作，必须在其表面规定的位置安装并焊接电子元件，安装了电子元件的PWB称为印制电路板（PCB）。PCB通电后就能很好地发挥电气功能。目前几乎所有的电子设备都离不开PCB，当其通电时，PCB上的电子元件就成为发热的热源，其散发的热量会使电子设备的温度上升，当超过元件允许的使用温度时，元件的特性就会发生变化，从而导致设备的性能和可靠性降低、寿命缩短。因此应采用相应的对策解决PCB的散热问题。
3.1用导热改善散热
（1）用导热系数大的材料（如铜板，铝板）作散热板，使PCB上高发热元件产生的热量向PCB的表面扩散，以消除局部过热，改善PWB的散热能力。
（2）在PWB上设计导热孔改善散热，使发热元件产生的热量沿PWB的厚度方向散发。如果导热孔设计的不是1个而是N个，则热阻值可能会降到1/N。
（3）采用金属芯PWB改善散热，金属芯PWB是用铜、铝、铁等高导热金属板作芯板，在其表面涂敷绝缘层后镀铜或覆铜制成导体图形，金属芯PWB的截面如图3所示。因为金属芯PWB中有高热的金属芯，使其散热性大大提高。
（4）用高效散热器改善散热。图3 金属芯PWB的截面图
3.2用对流改善散热
分散排列高发热元件改善PWB的散热性。此外，局部设置风扇，向高发热元件吹强风，促进高发热元件散热。
3.3用增加散热面积改善散热
（1）采用薄型化、多层化的PWB改善等效传热系数。
（2）提高PWB的铜箔剩余率，PWB的铜箔剩余率一般是10％～20％，可设置铜箔剩余率大的电源层、接地层，改善等效传热系数。
（3）在发热元件上安装散热器，散热器可扩大元件表面的散热面积，从而提高散热能力。
（4）将发热元件直接安装在金属框体上。
以上对策中，最重要的是想办法降低发热元件与散热器或发热元件与金属框体的接触热阻。
3.4合理排列元件改善散热
（1）当热性能不同的元件混合安装时，最好将发热大的元件安装在下风处，发热小的元件安装在上风处，如图4所示。 （a）理想排列
（b）不理想排列
图4 元件排列（注意发热元件的排列）
图4（a）显示了元件的理想排列方式，图4（b）显示了元件的不理想排列方式。即将发热大的元件安装在上风处，发热小的元件如IC安装在下风处，正好处在了发热元件散热的路径上。实际上导电图形的设计要达到图4（a）所示的理想排列较困难。在PWB设计时，若必须在电阻正上方排列电容器，则最好在这两元件之间设计隔热板。
（2）热性能相同但放热量不同的多个IC混装时，基本排列顺序是耗电大的元件和散热性差的元件排列在上风处，如图5所示。图5显示了PWB上安装IC（0.3W）和LSI（1.5W）时温度上升的实测值，按图5（a）排列时，IC的温度上升值是18℃～30℃，LSI温度上升值是50℃；按图5（b）排列时，LSI的温度上升值是40℃，比按图5（a）排列要低10℃。 （a）LSI排列在中央
（b）LSI排列在下部
图5 元件的排列
由以上实例可见，耐热水平相同的元件混合排列时，应将耗电大、散热性差的元件设计在上风处。电子元器件应用
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