PCB上的器件熱耦合與散熱解決方案

 任何散熱解決方案的目標(biāo)都是確保設(shè)備的工作溫度不超過其制造商規(guī)定的安全限值。在電子工業(yè)中，這個(gè)工作溫度被稱為器件的“結(jié)溫”。例如，在處理器中，這個(gè)術(shù)語字面上指的是電能轉(zhuǎn)換為熱量的半導(dǎo)體結(jié)。

為了保持工作，熱量必須以確?？山邮艿慕Y(jié)溫的速率流出半導(dǎo)體。當(dāng)熱流從整個(gè)器件封裝的結(jié)處移動(dòng)時(shí)，這種熱流遇到阻力，就像電子在流過導(dǎo)線時(shí)面對(duì)電阻一樣。在熱力學(xué)方面，這種電阻稱為導(dǎo)電電阻，由幾個(gè)部分組成。從結(jié)點(diǎn)開始，熱量可以流向元件的殼體，可以放置散熱器。這被稱為ΘJC，或結(jié)至殼體的熱阻。熱量也可以從組件的頂部表面流出并流入板中。這被稱為結(jié)到電路板電阻，或ΘJB

ΘJB定義為當(dāng)熱路徑僅從結(jié)點(diǎn)到電路板時(shí)，結(jié)點(diǎn)和電路板之間的溫差除以功率。為了測(cè)量ΘJB，器件的頂部是絕緣的，冷板連接到電路板邊緣(圖1)。這是真正的熱阻，這是器件的特性。唯一的問題是，在實(shí)際應(yīng)用中，人們不知道從不同路徑傳輸了多少功率。

圖1：橫截面圖環(huán)形冷板RΘJB 2 。

ΨJB是使用多個(gè)傳熱路徑時(shí)的溫差的度量，例如組件的側(cè)面和頂部董事會(huì)。這些多路徑是實(shí)際系統(tǒng)中固有的，必須謹(jǐn)慎使用測(cè)量。

由于組件內(nèi)有多個(gè)傳熱路徑，單個(gè)電阻不能用于精確計(jì)算結(jié)溫。從結(jié)到環(huán)境的熱阻必須進(jìn)一步細(xì)分為電阻網(wǎng)絡(luò)，以提高結(jié)溫預(yù)測(cè)的精度。簡(jiǎn)化的電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2：結(jié)至環(huán)境電阻網(wǎng)絡(luò)。

Joiner等人 1 完成的先前工作將ΘJMA與電路板溫度相關(guān)聯(lián)(見公式1)。 ΘJMA是在評(píng)估所有傳熱路徑時(shí)從結(jié)到環(huán)境的總熱阻。在這種情況下，ΘCA由散熱器熱阻以及器件和接收器之間的界面電阻表示。

表1列出了典型BGA組件的JEDEC參數(shù)。這些用于以下示例計(jì)算中：

ΘJMA=移動(dòng)空氣熱阻的結(jié)點(diǎn)

ΘJB=結(jié)至電路板的熱阻

ΘJC=結(jié)至殼體的熱阻

ΘCA= Case環(huán)境熱阻

TBA =電路板溫升

參數(shù)說明值單位ΘJC熱電阻 -

結(jié)到外殼0.45°C/WΘJB熱阻 -

結(jié)至電路板2.6°C/W TDP熱設(shè)計(jì)功率20 W Tj最高結(jié)溫105°C

表1：典型熱封裝規(guī)格

隨著電路板布局變得越來越密集，需要設(shè)計(jì)出使用盡可能少空間的優(yōu)化散熱解決方案。簡(jiǎn)而言之，沒有余量允許過度設(shè)計(jì)的散熱器具有緊密的元件間距。考慮板耦合的影響是這種優(yōu)化的重要部分。只有在考慮結(jié)殼到殼體的傳熱路徑時(shí)才存在使用超大尺寸散熱器的可能性。

為確保在55°C環(huán)境溫度下的105°C結(jié)溫，典型元件(見表1)需要2.05°C/W的散熱器電阻(如果忽略電路板導(dǎo)通)。當(dāng)考慮電路板導(dǎo)通時(shí)，假設(shè)電路板溫度與空氣溫度相同，實(shí)際結(jié)溫可能低至74°C。這表示散熱片大于必要的溫度。

從這個(gè)例子可以看出，必須考慮來自元件連接點(diǎn)的所有傳熱路徑。僅使用ΘJC和ΘCA值可能導(dǎo)致大于最佳的散熱器，并且可能無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作結(jié)溫。使用建議的相關(guān)性也可以預(yù)測(cè)從實(shí)驗(yàn)中得知電路板溫度時(shí)的結(jié)溫，如圖3所示。

圖3：電路板溫度升高對(duì)結(jié)溫的影響。

當(dāng)存在多個(gè)元件時(shí)，情況變得比僅使用電路板上的單個(gè)元件復(fù)雜得多。通過PCB的組件之間存在傳導(dǎo)耦合，以及組件和相鄰卡之間的輻射和對(duì)流耦合。圖4顯示了一個(gè)帶有兩個(gè)元件的簡(jiǎn)單PCB。兩個(gè)元件的功耗假定為P1和P2，并且假設(shè)我們可以忽略輻射傳熱。每個(gè)器件下的電路板溫度分別為Tb1和Tb2。我們還假設(shè)電路板上兩個(gè)元件之間的橫向電阻為θb1b2。

圖4：具有兩個(gè)元件的PCB的簡(jiǎn)單原理圖。

圖5：具有兩個(gè)組件的PCB的簡(jiǎn)單電阻網(wǎng)絡(luò)。

在節(jié)點(diǎn)J1，J2處應(yīng)用能量平衡，b1和b2：

有四個(gè)方程和四個(gè)未知數(shù)：Tj1，Tj2。 Tb1和Tb2。未知數(shù)可以通過求解聯(lián)立方程來確定。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子表明，通過傳導(dǎo)路徑耦合兩個(gè)元件，找到結(jié)溫會(huì)變得復(fù)雜得多。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)遇到具有不同導(dǎo)電平面的多個(gè)組件和多個(gè)PCB時(shí)，情況比上述示例復(fù)雜得多，所有導(dǎo)電平面都通過傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射相互作用。

為了獲得合理的答案，設(shè)計(jì)師必須使用合理的工程判斷來近似不同組件之間的耦合。這可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)：

方法1 - 使用控制體積法或電阻網(wǎng)絡(luò)模型的分析模型。這種方法需要過度簡(jiǎn)化問題;否則解決方案變得非常復(fù)雜和不切實(shí)際。

方法2 - 在簡(jiǎn)化幾何上使用CFD，如Guenin [4] 所述。該方法表明組件的等效表面積為：

其中An是組件的等效占位面積，Pn是組件的功耗，PTotal是總功耗，ATotal是PCB的總表面積。在計(jì)算等效占位面積之后，可以使用CFD模擬具有占位面積An和功耗為1瓦的單個(gè)元件的簡(jiǎn)單PCB。此過程可有效計(jì)算電路板溫度與環(huán)境溫度(θBA)之間的差值，功耗為1瓦。圖6顯示了一個(gè)這樣的元件的CFD模擬，圖7顯示了θBA作為PCB尺寸的函數(shù)。圖7可用于通過簡(jiǎn)單計(jì)算其有效占地面積來確定其他組件的θBA。假設(shè)所有組件具有相同的占位面積。

圖6：PCB上單個(gè)組件的CFD模擬

圖7：作為PCB尺寸 4 的函數(shù)的ΘBA分布。

《 p》電路板溫度可以計(jì)算如下：

結(jié)溫可以計(jì)算為：

其中ψJB是特征參數(shù)。

方法3 - 如果PCB可用，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路板溫度TB，并使用公式8來查找結(jié)溫。同樣，這是近似值，因?yàn)槠骷詈系絇CB的條件可能與JEDEC測(cè)試板使用的條件完全不同。