隨著電子設(shè)備性能的不斷提升，散熱問題成為了設(shè)計中不可忽視的一環(huán)。散熱不良不僅會導(dǎo)致設(shè)備性能下降，還可能縮短設(shè)備的使用壽命。以下是十種提高PCB散熱效率的策略。
在電子設(shè)備中，PCB線路板的散熱問題至關(guān)重要。隨著電子產(chǎn)品的性能不斷提升，其產(chǎn)生的熱量也隨之增加，因此，合理的散熱設(shè)計是確保電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
對于電子設(shè)備來說，工作時都會產(chǎn)生一定的熱量，從而使設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)出去，設(shè)備就會持續(xù)的升溫，器件就會因過熱而失效，電子設(shè)備的可靠性能就會下降。
1、利用PCB板材的散熱潛力
盡管傳統(tǒng)的PCB板材如覆銅環(huán)氧玻璃布基材在電氣性能上表現(xiàn)出色，但其散熱能力有限。為了應(yīng)對高功率密度的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代PCB設(shè)計需要考慮板材的熱傳導(dǎo)性能。通過優(yōu)化板材選擇和布局，可以顯著提高散熱效率。
2、散熱器和導(dǎo)熱材料的應(yīng)用
對于高功率器件，單純的PCB散熱可能不足以滿足需求。這時，可以采用散熱器或?qū)岚鍋磔o助散熱。對于多個發(fā)熱器件，可以考慮定制散熱罩或平板散熱器，并使用熱相變導(dǎo)熱墊來提高接觸效率。
3、器件排列的優(yōu)化
在設(shè)計PCB時，應(yīng)根據(jù)器件的發(fā)熱量和耐熱性進(jìn)行分區(qū)排列。將耐熱性差的器件放置在冷卻氣流的上游，而將耐熱性好的器件放置在下游，以實(shí)現(xiàn)更有效的熱管理。
4、走線設(shè)計的策略
合理的走線設(shè)計對于散熱同樣重要。通過增加銅箔線路和導(dǎo)熱孔，可以提高PCB的熱傳導(dǎo)效率。同時，計算PCB的等效導(dǎo)熱系數(shù)，有助于評估和優(yōu)化散熱設(shè)計。
5、布局的細(xì)致調(diào)整
在PCB布局中，大功率器件應(yīng)盡可能靠近邊緣布置，以縮短熱傳導(dǎo)路徑。在垂直方向上，應(yīng)將這些器件布置在上方，以減少對其他器件的影響。
6、空氣流動路徑的規(guī)劃
空氣流動是PCB散熱的關(guān)鍵。設(shè)計時應(yīng)考慮空氣流動路徑，合理配置器件，避免在某些區(qū)域形成較大的空域，以促進(jìn)空氣流動。
7、敏感器件的安置
對于溫度敏感的器件，應(yīng)將其安置在溫度較低的區(qū)域，避免直接放置在發(fā)熱器件的上方，并在水平面上進(jìn)行交錯布局。
8、發(fā)熱器件的散熱優(yōu)化
將功耗高和發(fā)熱大的器件布置在散熱條件最佳的位置附近，避免將它們放置在PCB的角落和邊緣，除非有額外的散熱裝置。
9、避免熱點(diǎn)的集中
在PCB設(shè)計中，應(yīng)避免功率密度過高的區(qū)域，以防止熱點(diǎn)的形成。通過均勻分布功率，可以保持PCB表面溫度的均勻性。
10、創(chuàng)新散熱技術(shù)的應(yīng)用
除了傳統(tǒng)的散熱方法，還可以探索如熱管、相變材料、微通道冷卻等創(chuàng)新散熱技術(shù)，以適應(yīng)不斷增長的散熱需求。
PCB線路板的散熱方式多種多樣，包括基礎(chǔ)散熱設(shè)計、散熱片與散熱背板、風(fēng)扇散熱、熱管散熱、散熱膏與散熱管道等。
電子設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升。若不及時散熱，設(shè)備將持續(xù)升溫，可能引發(fā)器件過熱失效，進(jìn)而損害電子設(shè)備的可靠性。因此，對PCB電路板進(jìn)行合理的散熱設(shè)計顯得尤為重要。接下來，我們將深入探討PCB電路板的散熱技巧。
通過PCB板本身散熱
目前，覆銅/環(huán)氧玻璃布基材和酚醛樹脂玻璃布基材是PCB板材的主流選擇，同時還有少量的紙基覆銅板材在使用。這些基材在電氣性能和加工性能方面表現(xiàn)出色，然而它們的散熱性相對較差。在高發(fā)熱元件的散熱過程中，通常無法依賴PCB本身的樹脂來傳導(dǎo)熱量，而是主要依靠元件表面向周圍空氣的自然散熱。
然而，隨著電子產(chǎn)品向部件小型化、高密度安裝和高發(fā)熱化組裝的方向發(fā)展，僅靠元件表面的小面積散熱已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同時，QFP、BGA等表面安裝元件的廣泛使用導(dǎo)致元器件產(chǎn)生的熱量大量傳遞給PCB板。因此，提升與發(fā)熱元件直接接觸的PCB自身的散熱能力，通過PCB板將熱量傳導(dǎo)或散發(fā)出去，成為了解決散熱問題的關(guān)鍵。
一種有效的解決方法是在PCB上增加散熱銅箔，并采用大面積的電源地銅箔。這樣不僅可以增強(qiáng)PCB的散熱能力，還能提高其導(dǎo)電性能，從而有效地解決散熱問題。
▼熱過孔技術(shù)
在解決PCB散熱問題時，熱過孔技術(shù)是一種重要的方法。通過在PCB上設(shè)計過孔，將高發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)至PCB的另一面，再通過大面積的銅箔與外部散熱裝置連接，實(shí)現(xiàn)高效的熱量散發(fā)。這種技術(shù)有效地提升了PCB的散熱能力，確保了電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。
▼IC背面露銅技術(shù)，降低銅皮與空氣間的熱阻
在提升PCB散熱效果的探索中，IC背面露銅技術(shù)嶄露頭角。通過將IC背面的銅皮露出，增加其與空氣的接觸面積，從而有效降低了銅皮與空氣之間的熱阻。這一技術(shù)手段不僅改善了散熱條件，還有助于提升電子產(chǎn)品的整體性能。
PCB布局優(yōu)化：
熱敏感器件應(yīng)置于冷風(fēng)區(qū)域，以確保其穩(wěn)定工作。
溫度檢測器件需放置在溫度最高的位置，以便實(shí)時監(jiān)測散熱情況。
在同一印制板上，器件應(yīng)依據(jù)其發(fā)熱量及散熱需求進(jìn)行分區(qū)排列。發(fā)熱量較小或耐熱性較差的器件，如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路等，應(yīng)置于冷卻氣流的上游;而發(fā)熱量大或耐熱性好的器件，如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等，則宜放在冷卻氣流的下游。
水平方向上，大功率器件應(yīng)緊靠印制板邊緣，以縮短傳熱路徑;垂直方向上，則應(yīng)盡量將其布置在印制板上方，減少工作時對其他器件溫度的影響。
設(shè)計時需充分考慮空氣流動路徑，合理布局器件或印制電路板，以提升散熱效果。
空氣在流動時總是傾向于選擇阻力較小的地方，因此在設(shè)計印制電路板時，應(yīng)避免在某個特定區(qū)域留下大面積的空域。同樣，在整機(jī)中配置多塊印制電路板時，也需注意這一問題。對于那些對溫度敏感的器件，最好將它們安置在溫度最低的區(qū)域，例如設(shè)備的底部，并確保它們不會直接置于發(fā)熱器件的上方。為了更有效的散熱，多個器件應(yīng)在水平面上進(jìn)行交錯布局。此外，應(yīng)將功耗最高且發(fā)熱量最大的器件放置在散熱效果最好的位置附近。同時，要避免將發(fā)熱量較高的器件置于印制板的角落或邊緣，除非這些區(qū)域附近配備了散熱裝置。在規(guī)劃功率電阻時，應(yīng)盡量選擇尺寸較大的器件，并在調(diào)整印制板布局時為其提供充足的散熱空間。此外，還需注意元器件之間的間距設(shè)計。
0高發(fā)熱器件的散熱解決方案
在印制電路板中，當(dāng)少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(少于3個)，我們可以考慮在器件上增加散熱器或?qū)峁軄磉M(jìn)行散熱。若溫度仍無法降低，還可以采用帶有風(fēng)扇的散熱器，以強(qiáng)化散熱效果。
然而，當(dāng)發(fā)熱器件數(shù)量較多時(多于3個)，我們則需要采用大型的散熱罩(板)。這種散熱罩是根據(jù)PCB板上發(fā)熱器件的布局和高低來定制的專用散熱器，或者是在一個大的平板散熱器上按照元件的高低位置進(jìn)行摳孔。
使用時，將散熱罩整體覆蓋在元件面上，通過與每個元件的緊密接觸來進(jìn)行散熱。但需要注意的是，由于元器件裝焊時的高度一致性可能存在問題，這種直接接觸的散熱方式效果并不總是最佳。為了改善這一問題，我們通常會在元器件面上加入柔軟的熱相變導(dǎo)熱墊，以提高散熱效果。
在采用自由對流空氣冷卻的設(shè)備中，應(yīng)優(yōu)先考慮將集成電路(或其他器件)按照其縱長或橫長方向進(jìn)行排列，以優(yōu)化散熱效果。
通過合理的走線設(shè)計實(shí)現(xiàn)散熱是關(guān)鍵。由于PCB板材中的樹脂導(dǎo)熱性不佳，而銅箔線路和孔則是優(yōu)良的熱導(dǎo)體，因此，提高銅箔的利用率并增加導(dǎo)熱孔的數(shù)量，是提升散熱效果的重要措施。在評估PCB的散熱能力時，需要綜合考慮由不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成的復(fù)合材料，特別是PCB用絕緣基板的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
在同一塊印制板上，應(yīng)依據(jù)器件的發(fā)熱量及散熱需求進(jìn)行合理分區(qū)。發(fā)熱量較小或耐熱性較差的器件，例如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路以及電解電容等，應(yīng)置于冷卻氣流的最上游，即入口處。而發(fā)熱量大或耐熱性好的器件，如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等，則應(yīng)置于冷卻氣流的最下游。
在水平布局上，應(yīng)盡量將大功率器件靠近印制板的邊緣，以縮短傳熱路徑。同時，在垂直方向上，大功率器件也應(yīng)靠近印制板的上方，以減少其工作時對其他器件溫度的影響。
印制板的散熱主要依賴于空氣流動，因此，在設(shè)計過程中需深入研究空氣的流動路徑，并據(jù)此合理布置器件或印制電路板。由于空氣流動傾向于阻力較小的區(qū)域，所以在配置器件時，應(yīng)避免在某處留下較大的空域。此外，整機(jī)中多塊印制電路板的配置也需考慮這一問題。
將溫度敏感的器件置于溫度最低的區(qū)域，例如設(shè)備的底部，以避免其直接置于發(fā)熱器件的正上方。在水平面上，建議多個器件交錯布局，以確保散熱效果。
將功耗最高、發(fā)熱量最大的器件置于散熱效果最佳的位置附近。同時，要避免將發(fā)熱量較高的器件置于印制板的角落或邊緣，除非這些位置附近配備了散熱裝置。
在功率電阻的設(shè)計上，應(yīng)盡可能選擇尺寸較大的器件，并在調(diào)整印制板布局時為其提供充足的散熱空間。此外，應(yīng)努力避免PCB上的熱點(diǎn)集中，力求將功率均勻分布在PCB板上，從而保持PCB表面溫度的均勻性和一致性。
在電路設(shè)計過程中，實(shí)現(xiàn)功率的嚴(yán)格均勻分布往往具有挑戰(zhàn)性。然而，必須采取措施避免功率密度過高的區(qū)域，以防出現(xiàn)過熱點(diǎn)，進(jìn)而影響整個電路的穩(wěn)定工作。有條件的情況下，對印制電路進(jìn)行熱效能分析顯得尤為重要。如今，許多專業(yè)的PCB設(shè)計軟件都配備了熱效能指標(biāo)分析模塊，這些工具能協(xié)助設(shè)計師優(yōu)化電路布局。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電子設(shè)備的具體需求和條件選擇合適的散熱方式。通過合理的散熱設(shè)計，可以確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，延長其使用壽命。
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