SMT印制電路板熱設(shè)計(jì)探討

1、SMT印制電路板熱設(shè)計(jì)探討一，概述隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝器件應(yīng)用也已經(jīng)很普遍，SMT的技術(shù)已也相當(dāng)成熟。目前高密度表面貼裝器件的引腳間距一般小于 0.5mm,印制板的布線密度亦越來越密，一般線徑為，間距為，將向線徑和0.1mm間距發(fā)展；多層板也將向 20層以上發(fā)展。印制電路板的組裝密度的提高，必然增加了單位面積的耗散功 率的增加，形成了印制板的熱量的高度集中。個(gè)別器件和元器件的溫度增加，將影響電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，其 主要危害表現(xiàn)為：1）電子元器件在一定溫度范圍的交變達(dá)到一定的熱應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，元器件也會(huì)因熱疲勞而失效。2）溫度的變化會(huì)引起電子器件的工作性能的改變。如晶體管的電流放

2、大倍數(shù)的隨溫度的變化，將引起工作點(diǎn)的漂移， 引起系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定，降低器件的壽命和可靠性。3）組件的溫度值過高，將造成印制板基板的電性能和機(jī)械性能惡化，嚴(yán)重時(shí)引起印制板發(fā)黑甚至燒穿。如，環(huán)氧玻璃纖維的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為 1250C,熱膨脹系數(shù)（CTE為13-18ppm/0C;FR-6環(huán)氧玻璃纖維印制板的最高連續(xù)溫度規(guī)定為 1050C.4）溫度的升高使印制板或組件的吸濕，吸塵能力加強(qiáng)，電化學(xué)反應(yīng)的速度加快，印制板防腐蝕、抗靜電能力降低等。因此，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)人員值得研究的一門重要學(xué)科內(nèi)容，熱設(shè)計(jì)的研究成果已廣泛的運(yùn)用到電子產(chǎn) 品中。本文僅針對 SMT印制板的設(shè)計(jì)中一些具體熱設(shè)計(jì)措施和方法

3、進(jìn)行探討和歸納，供工程設(shè)計(jì)人員參考。 二，SMT印制板熱設(shè)計(jì)1. SMT印制板基材的選擇SMT印制電路板的基材選擇取決于對基材的要求，一般情況下應(yīng)分析的參數(shù)包括：熱膨脹系數(shù)、玻璃轉(zhuǎn)變溫度、熱 導(dǎo)性、拉升模量、抗彎強(qiáng)度、介電常數(shù)、體電阻、表面電阻、吸潮性以及成本核算、電性能要求以及布線密度等。綜 合這些內(nèi)容后，選擇一種性價(jià)比合理的印制板基材。下表1給出了目前常用的 PCB基材的類型和連續(xù)工作狀態(tài)下的最高溫度值： 表1: PCB基材類型和最高連續(xù)溫度PCB基板類型XXXPXXXPCG-10G-11FR-2FR-3FR-4FR-5FR-6聚酸亞胺GTGX最高連續(xù)溫度（° C）：125：12

4、5130170105105130170*105260:220220*170 °C下電性能下降，180°C時(shí)機(jī)械性能下降。應(yīng)該引起注意的是，表中所列出的基材的連續(xù)高溫僅是我們考慮選擇印制板基材的基礎(chǔ)，實(shí)際情況是加工好的印制 板的熱性能可能會(huì)有很大的差別。印制板的設(shè)計(jì)（例如印制板尺寸、金屬量的多少和分布、層數(shù)等）對印制板的熱性 能均有很大的影響。因此，重視印制板的設(shè)計(jì)對熱性能的改善取到了至關(guān)重要的作用。2, 引起SMT印制板溫升的原因淺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，任何電子器件均不同程度的存在功耗，因功耗的大小不同,發(fā)熱強(qiáng)度不同。印制板中溫升的二種現(xiàn)象：1

5、）局部溫升或大面積溫升，2）短時(shí)溫升或長時(shí)間溫升。在分析PCB熱功耗時(shí)，一般可以從以下幾個(gè)方面來分析：A, 電氣上功耗分析：1）分析單位面積上的功耗；2）分析PCB板上功耗的分布。B, 印制板的結(jié)構(gòu)上分析：1 ）印制板的尺寸；2）印制板的材料。C, 印制板的安裝方式：1）安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）；2）密圭寸情況和離機(jī)殼的距離。D, 熱輻射：1）印制板表面的輻射系數(shù)；2 ）印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度；E, 熱傳導(dǎo)：1）安裝散熱器；2）其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。F, 熱對流：1）自然對流；2）強(qiáng)迫冷卻對流。從PCB上述各因素的分析是解決 SMT印制板的溫升的有效途徑，往往在一個(gè)

6、產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依 賴的，大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析，只有針對某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。限于專業(yè)和篇幅問題，下面僅對SMT印制板設(shè)計(jì)時(shí)的熱設(shè)計(jì)布局進(jìn)行闡述。三，SMT印制板的熱設(shè)計(jì)基本原則和計(jì)算方法在分析電路和其它熱因素的情況下，考慮SMT印制板布線時(shí)，應(yīng)遵循的基本原則是：1, 避免PCB上的熱點(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

7、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，可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。2, 將最高功耗和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。3, 不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。4, 在設(shè)計(jì)功率電阻時(shí)盡可能選擇大一些的器件，且在調(diào)整印制板布局時(shí)使之有足夠的散熱空間。5, 高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻。6，為了更好地滿足熱特性要求，在芯片底面可使用一些熱導(dǎo)材料（如涂抹一層導(dǎo)熱硅膠），并保持一定的接觸區(qū)域供器件散熱。7器件與基板的連接：1）盡量縮短器件引線長度；2）選擇高功耗器件時(shí)，應(yīng)考慮引線材料的導(dǎo)熱性，如果可能的

8、話， 盡量選擇引線橫段面最大。3）選擇管腳數(shù)較多的器件。8,器件的封裝選取：1 ）在考慮熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意器件的封裝說明和它的熱傳導(dǎo)率。2）應(yīng)考慮在基板與器件封裝之間提供一個(gè)良好的熱傳導(dǎo)路徑。3）在熱傳導(dǎo)路徑上應(yīng)避免有空氣隔斷，如果有這種情況可采用導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充。PCB設(shè)計(jì)人員在分析熱性能指標(biāo)時(shí)，對器件的溫升可利用熱阻和功耗來進(jìn)行簡單計(jì)算，公式為：T=R*PR=器件與印制板件熱阻總和（OC/W ；P=器件的功耗值（W ,T=器件的溫升值（0C）.如下圖1示例，熱阻總和計(jì)算為 RT=R1+R2+R3+R4+R其中RT為從器件上部至 PCB底部的熱阻總和。圖1:熱阻的等效計(jì)算圖例每一種特定材料的熱阻

9、計(jì)算公式為：R=L/KA,L=材料層的厚度（mm, K=材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/OC-mr） ,A=材料層的截面積（mm2。下表2給出了常用的幾種材料的導(dǎo)熱系數(shù)：表2 :典型合成材料導(dǎo)熱系數(shù)材料硅Kovar鉬AL2O3Con ductive Epoxy1.02導(dǎo)熱系數(shù)（W/° C/mn）58.49.199.117.5Epoxy Perform0.25四，SMT印制板熱設(shè)計(jì)探討在實(shí)際SMT印制板的設(shè)計(jì)中一般分為二個(gè)階段：總體設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)過程中應(yīng)確定關(guān)鍵器件和基板材料的選擇，PCB板線路密度要求以及系統(tǒng)指標(biāo)的確定等。線路詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是根據(jù)整體要求進(jìn)行PCB的布局與布線工作。在器件

10、的布局和布線工作中應(yīng)重點(diǎn)注意的幾個(gè)問題：1, 功耗大的器件的選擇。在需要使用大功耗的器件時(shí)，首先應(yīng)明確該器件是否為最佳選擇，封裝形式，引腳的多少， 引腳截面等參數(shù)是否合理。2, 印制板材料和層數(shù)的選擇。確定器件最高連續(xù)工作溫度和環(huán)境溫度等條件，選擇適合的印制板基材。 使用多層板時(shí)，其中的地線層既可以取到屏蔽作用也可充當(dāng)熱摶導(dǎo)材料散熱。3, 散熱通孔的設(shè)置。設(shè)計(jì)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器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充，使導(dǎo)熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅泊散發(fā)掉

11、，如下圖3所示。在一些特定情況下，專門設(shè)計(jì)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。圖3，散熱通孔的布置4, 導(dǎo)熱材料的使用；為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料（如表3V表3見下 面導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱膠的技術(shù)參數(shù)），提高熱傳導(dǎo)效率。如下圖 4 （圖4見面）給出了晶體管與基板的連接圖示例。5, 工藝方法：對一些雙面裝有器件的區(qū)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(xì)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。6, 散熱裝置的使用；一些高功耗器件發(fā)熱量大，可

12、采用安裝散熱器（或散熱片），加大散熱面（如圖5所示）。應(yīng)注意 的是散熱器的安裝方向和空氣的流向。散熱器種類很多，使用和設(shè)計(jì)時(shí)可查閱相關(guān)手冊。7線路布線的規(guī)定：印制電路的基板廣泛采用由以玻璃纖維為基材的環(huán)氧樹脂層合板，或以紙為基材的酚醛樹脂層合 板。導(dǎo)電材料一般為銅箔。印制板上的發(fā)熱元件產(chǎn)生的部分熱量，通過導(dǎo)線傳到印制電路的基板上。由于基板導(dǎo)線系 數(shù)遠(yuǎn)小于銅箔，因此熱量幾乎都集中在銅箔上，從而引起電路導(dǎo)線的溫升。為此在設(shè)計(jì)印制板時(shí)應(yīng)根據(jù)電路板電流大 小和允許的溫升，來選擇印制導(dǎo)線的寬度。下圖6 （圖6見下面）提供了選取印制導(dǎo)線寬度的曲線。表3 :常用導(dǎo)熱脂，膠的技術(shù)參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)（w/（m.OC）使用溫度0C絕緣電阻（q。cm擊穿強(qiáng)度（Kv/mm）SZ中溫咼效導(dǎo)熱脂-60-150> 1.0*1013> 6GB-51導(dǎo)熱硅脂> 0.750-200:> 1.0*1014> 5GW導(dǎo)熱膠> 0.5-45-13