熱分析、熱設(shè)計是提高印制電路板熱可靠性的重要措施。基于熱設(shè)計的基本知識，討論了PCB設(shè)計中散熱方式的選擇、熱設(shè)計和熱分析的技術(shù)措施。

1、熱設(shè)計的重要性

電子設(shè)備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)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)，設(shè)備會繼續(xù)升溫，器件就會因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。
SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對熱設(shè)計的研究顯得十分重要。

2、印制電路板溫升因素分析

引起印制電路板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。

印制電路板中溫升的2種現(xiàn)象：

（1）局部溫升或大面積溫升；

（2）短時溫升或長時間溫升。
在分析PCB熱功耗時，一般從以下幾個方面來分析。

2.1電氣功耗

（1）分析單位面積上的功耗；

（2）分析PCB板上功耗的分布。

2.2印制電路板的結(jié)構(gòu)

（1）印制電路板的尺寸；

（2）印制電路板的材料。

2.3印制電路板的安裝方式

（1）安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）；

（2）密封情況和離機(jī)殼的距離。

2.4熱輻射

（1）印制電路板表面的輻射系數(shù)；

（2）印制電路板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對溫度；

2.5熱傳導(dǎo)

（1）安裝散熱器；

（2）其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。

2.6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印制板的溫升的有效途徑，往往在一個產(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算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。　

3、熱設(shè)計原則

3.1選材

（1）印制電路板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125℃（常用的典型值，根據(jù)選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制電路板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制電路板設(shè)計時應(yīng)考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125℃。盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔。

（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。

（3）采用多層電路板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計。

3.2保證散熱通道暢通

（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導(dǎo)出PCB。

（2）散熱通孔的設(shè)置
設(shè)計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。在一些特定情況下，專門設(shè)計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。

（3）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，提高熱傳導(dǎo)效率。

（4）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。

3.3元器件的排布要求

（1）對PCB進(jìn)行軟件熱分析，對內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計控制；

（2）可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計安裝在一個印制板上；

（3）板面熱容量均勻分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如無法避免，則要把矮的元件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū)；

（4）使傳熱通路盡可能的短；

（5）使傳熱橫截面盡可能的大；

（6）元器件布局應(yīng)考慮到對周圍零件熱輻射的影響。對熱敏感的部件、元器件（含半導(dǎo)體器件）應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x；

（7）（液態(tài)介質(zhì)）電容器的最好遠(yuǎn)離熱源；

（8）注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致；

（9）附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；

（10）盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離；

（11）發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件允許時應(yīng)處于氣流通道上；

（12）熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣，只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上，并遠(yuǎn)離其他器件，并保證散熱通道通暢；

（13）（小信號放大器外圍器件）盡量采用溫漂小的器件；

（14）盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。

3.4布線時的要求

（1）板材選擇（合理設(shè)計印制板結(jié)構(gòu)）；

（2）布線規(guī)則；

（3）根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度；特別注意接合點(diǎn)處通道布線；

（4）大電流線條盡量表面化；在不能滿足要求的條件下，可考慮采用匯流排；

（5）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，必要時可涂
覆導(dǎo)熱硅脂；

（6）熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條；

（7）散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散熱阻焊適當(dāng)開窗；

（8）視可能采用表面大面積銅箔；

（9）對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱；

（10）盡可能多安放金屬化過孔, 且孔徑、盤面盡量大，依靠過孔幫助散熱；

（11）器件散熱補(bǔ)充手段；

（12）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；

（13）根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計算合適的表面散熱銅箔面積（保證原則tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

4、熱仿真（熱分析）

熱分析可協(xié)助設(shè)計人員確定PCB上部件的電氣性能，幫助設(shè)計人員確定元器件或PCB是否會因為高溫而燒壞。簡單的熱分析只是計算PCB的平均溫度，復(fù)雜的則要對含多個PCB和上千個元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。

無論分析人員在對電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時多么小心翼翼，熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性。在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的實(shí)際功耗很小，可能會導(dǎo)致設(shè)計的安全系數(shù)過高，從而使PCB的設(shè)計采用與實(shí)際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析，與之相反(同時也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)計過低，也即元件實(shí)際運(yùn)行時的溫度比分析人員預(yù)測的要高，此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對PCB進(jìn)行冷卻來解決。這些外接附件增加了成本，而且延長了制造時間，在設(shè)計中加入風(fēng)扇還會給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素，因此PCB現(xiàn)在主要采用主動式而不是被動式冷卻方式(如自然對流、傳導(dǎo)及輻射散熱)，以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作。　
熱設(shè)計不良最終將使得成本上升而且還會降低可靠性，這在所有PCB設(shè)計中都可能發(fā)生，花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗，以免降低PCB設(shè)計效率。

4.1元件功耗計算

準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個不斷重復(fù)迭代的過程，PCB設(shè)計人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。設(shè)計人員先猜測一個元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計值，并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中，計算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度，第二步使用新溫度重新計算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入。在理想的情況下，該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹埂?/p>

然而PCB設(shè)計人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力，他們沒有足夠的時間進(jìn)行耗時重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作。一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預(yù)測出平均環(huán)境溫度，使設(shè)計人員用于計算元器件的功耗，通過進(jìn)一步重復(fù)計算元件溫度知道是否還需要作其他工作。

一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響，消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件，其工作最高溫度是85℃；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件，工作最高溫度為125℃，額定最高溫度通常是105℃。PCB設(shè)計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗。

計算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但是確定元件的瞬時功耗十分困難。

一個比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。
PCB受到各種類型熱量的影響，可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括：

前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對流；

前后表面發(fā)出的熱輻射；

從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo)；

通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo)；

從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo)；

2個PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)。

目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計算流體動力學(xué)(CFD)工具，以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具。

4.2基本過程

在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下，依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗，加速PCB熱設(shè)計。
在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級熱設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過板級熱仿真預(yù)估熱設(shè)計結(jié)果，尋找設(shè)計缺陷，并提供系統(tǒng)級解決方案或變更器件級解決方案。
通過熱性能測量對熱設(shè)計的效果進(jìn)行檢驗，對方案的適用性和有效性進(jìn)行評價；

通過預(yù)估-設(shè)計-測量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度；補(bǔ)充PCB熱設(shè)計經(jīng)驗。

4.3板級熱仿真

板級熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等。目前可做板級熱分析比較典型的軟件有Flotherm，Betasoft等等。