試論印制電路板(PCB)散熱方案的優(yōu)化

畢 勝

（海南大學(xué) 三亞學(xué)院，三亞 572022）

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的單位面積或體積功率密度日益提高，而其帶來的發(fā)熱問題，也是商家和研究者共同關(guān)注的焦點。相關(guān)研究顯示[1]，電子儀器和設(shè)備的主要故障是過熱而導(dǎo)致的損壞，溫度過高會造成55%以上的電子儀器和設(shè)備的失效；并且電子儀器和設(shè)備的失效率伴隨著溫度的升高成指數(shù)增長；更有甚者，一些器件還存在10℃法則，即環(huán)境溫度每升高10℃，器件的失效率就會增大一倍以上[2]。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是，電子儀器和設(shè)備在具體的使用過程中，所面臨的工作環(huán)境，肯定要比試驗測試條件下的環(huán)境要更加惡劣和多樣多變，那再加上溫度升高的影響，損壞率就會更高。

另一方面，由于CPU的高使用頻率和電子儀器設(shè)備的高密度安裝，如何進(jìn)行有效的、立體的散熱就成為了備受關(guān)注的問題，這不僅關(guān)系到上面提到的誤差率和損壞率，更是影響到商品的價格，這也是電子儀器和設(shè)備投入生產(chǎn)所必須考慮的核心。[3]研究和實踐均表明，散熱器、風(fēng)扇及箱體構(gòu)造等辦法都是比較有效的散熱手段，但這些手段在小型便攜終端的狹小空間內(nèi)，尤其是安裝在母板上的模組元件，更是經(jīng)常無用武之地；面對這種狀況，要求基板本身具備散熱效果已經(jīng)是大勢所趨了。有鑒于此，本文對印制電路板(PCB)的散熱方案進(jìn)行了探討，以期達(dá)到一個較好的散熱優(yōu)化效果。

1 某信號預(yù)處理模塊PCB的基本參數(shù)

該P(yáng)CB采用8層板，板的尺寸為180mm×140mm×1.6mm，板內(nèi)層有1個地層、2個信號層、3個電源層。板頂層和底層厚2盎司，含銅量20%；兩個信號層厚2盎司，含銅量10%；電源層和地層厚1盎司，含銅量都為80%。經(jīng)過計算，整個板的總功耗為40.52W，其中為了增強(qiáng)器件的可靠性，各器件的功耗取器件正常工作的最大功耗或設(shè)計的最大值。如圖1所示為板上主要功耗元器件的基本參數(shù)。

圖1 主要功耗元器件的基本參數(shù)示意圖

2 信號預(yù)處理模塊PCB散熱方案的優(yōu)化設(shè)計

一般而言，根據(jù)環(huán)境條件和元器件功耗大小的不同，來綜合考慮PCB中元器件的布局。該P(yáng)CB采用的是簡化模型，其中：編號為T開頭的電源類元器件，封裝為TO-263-3pin；U1、U2、U5、U6和U7的元器件，封裝為PBGA。由于T開頭的電源類元器件，功耗大、散熱面積小，故是該P(yáng)CB上的主要熱源，采用詳細(xì)熱阻模型建模；而U1、U2、U5、U6和U7，不僅散熱面積較大、且整體的散熱性能相對較好，故采用二熱阻網(wǎng)絡(luò)模型建模。最后，根據(jù)散熱的相關(guān)原則，運(yùn)用熱力導(dǎo)向優(yōu)化算法，形成了PCB如圖2所示的元器件布局。

圖2 PCB元器件的優(yōu)化布局

在對PCB元器件進(jìn)行了布局好后，接著運(yùn)用三種散熱方式，在板水平放置、熱面朝上和器件布局優(yōu)化的情況下，分別對器件的結(jié)點溫度做了相關(guān)測試。

圖3 自然對流條件下器件結(jié)點溫度仿真結(jié)果

圖4 強(qiáng)制對流條件下器件結(jié)點溫度的防真結(jié)果

圖5 熱傳導(dǎo)條件下器件結(jié)點溫度的仿真結(jié)果

仔細(xì)觀察圖3-圖5不難看出，在空氣流速為0.5m/s，即所謂的自然對流條件下，T1-4的結(jié)點溫度為140℃，T2-4的結(jié)點溫度為139℃，二者均超過規(guī)定值125℃，而此時板對應(yīng)的平均溫度為102℃。而在空氣流速為2m/s，即所謂的強(qiáng)制對流條件下，出現(xiàn)了所有器件的結(jié)點溫度均限定于規(guī)定的范圍之內(nèi)的樂觀現(xiàn)象，這便說明了強(qiáng)制對流散熱方案可以很好地滿足設(shè)計要求。器件T1-4和器件T2-4在熱傳導(dǎo)條件下，其結(jié)點溫度分別是144℃和143℃，同樣超過規(guī)定的溫度值，此時102℃是板對應(yīng)的平均溫度。因此，倘若PCB散熱性能沒有得到適當(dāng)改善，同時也沒有適時地采用附加散熱措施，設(shè)計者也將無從滿足設(shè)計上的要求。假如設(shè)置相同的器件布局，采用自然對流方式對器件結(jié)點的溫度造成的影響是區(qū)別于采用傳導(dǎo)方式所可能帶來的影響的，不過二者差別甚小，其主要原因可以歸于熱傳導(dǎo)在散熱過程中起主導(dǎo)作用。然而，倘若換種散熱方式，采用強(qiáng)制對流散熱，當(dāng)強(qiáng)制對流在散熱過程中起到主導(dǎo)作用時，散熱效果就會愈加明顯。

通過以上對三種散熱方式下各器件結(jié)點溫度的分別預(yù)測，最終可以確定，強(qiáng)制對流散熱方式是整板最好的散熱方式。然而問題在于，如何通過改善板的散熱能力以實現(xiàn)在自然對流和傳導(dǎo)條件下板也能正常工作的目的。就不同散熱方式所面臨的環(huán)境條件而言，傳導(dǎo)散熱方式較之自然對流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。故此處僅對傳導(dǎo)水平放置方式的情況進(jìn)行討論。

觀察圖1可知，器件T1-4的結(jié)點溫度為144℃，T2-4的結(jié)點溫度為143℃，二者功率密度均為2.19W/cm2，較之其他器件的結(jié)點溫度來說，最大差值可達(dá)37℃，最小差值也為13℃，因此，整個熱設(shè)計的重點和難點也就集中在了如何有效降低器件T1-4和器件T2-4的結(jié)點溫度。

分析以上數(shù)據(jù)之后，制定散熱方案如下：

1）從整體角度著手，提升板的散熱能力。設(shè)計者在設(shè)計PCB結(jié)構(gòu)時，可以通過適當(dāng)增加地層和電源層的銅的含量以求達(dá)到提高板平面導(dǎo)熱系數(shù)的目的；采用覆銅連接熱過孔，并通過增加熱過孔的個數(shù)，以使得板在厚度方向上的導(dǎo)熱能力得以加強(qiáng)。

2）從局部角度著手，將導(dǎo)熱墊或小塊銅皮加載于器件T1-4和器件T2-4的底部與板之間以求減小熱阻；或者也可以利用熱線性疊加原理，減輕與器件T1-4和器件T2-4相鄰器件之間的熱耦合作用。

3）假如以上措施的采用仍不能將器件最高的結(jié)點溫度限定于規(guī)定的范圍值內(nèi)，那么從系統(tǒng)級熱設(shè)計角度來考慮，此時就需要增加附加散熱措施，譬如采用金屬夾心，或者采用鋁質(zhì)散熱板，為達(dá)到加強(qiáng)板的散熱能力之目的就需要使用邊緣導(dǎo)軌將板邊沿固定在散熱器或機(jī)箱壁或冷板上來。

針對以上三種方案，還必須將設(shè)計成本以及器件之間連線最短的因素考慮在內(nèi)，以力求減小干擾，實現(xiàn)方便維修。

3 結(jié)論

通過實例分析總功耗為40.52W的某信號預(yù)處理模塊的PCB：熱阻模型的選擇需要以各器件的功耗大小為準(zhǔn)。在布局各器件時運(yùn)用熱力導(dǎo)向優(yōu)化算法以實現(xiàn)最大限度優(yōu)化的目的，并針對優(yōu)化布局的可行性分別在三種散熱方式條件下進(jìn)行仿真預(yù)測。就不同散熱方式所面臨的環(huán)境條件而言，傳導(dǎo)散熱方式較之自然對流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。因此，將分析和驗證的對象鎖定在了傳導(dǎo)散熱方式上?；谏鲜龌A(chǔ)，

研究人員制定了三種散熱優(yōu)化方案并分別對其進(jìn)行了仿真驗證，結(jié)果顯示：器件T1-4之結(jié)點溫度由最初基本設(shè)置時的144℃降到了91.1℃，而器件T2-4之結(jié)點溫度也由最初基本設(shè)置時的143℃降到了89℃，至于PCB的平均溫度，其也由初始設(shè)置時的101.7℃降到了81.3℃，各項相關(guān)數(shù)據(jù)均達(dá)到了PCB初期設(shè)計時的基本要求，使得優(yōu)化方案的可行性也得到了更好地驗證。

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