10種有效提高電子設(shè)備可靠性的PCB散熱技術(shù)
在現(xiàn)代電子領(lǐng)域,隨著器件尺寸的不斷縮小和性能的不斷提高,熱管理問題日益凸顯,不容忽視。電子設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的熱量,如果處理不當(dāng),散發(fā)不了,就會像潛移默化的威脅一樣,悄無聲息地危及設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。
電子設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生一定的熱量,導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度迅速升高。如果不及時散發(fā)這種熱量,設(shè)備會繼續(xù)發(fā)熱,導(dǎo)致元件因過熱而失效,從而降低電子設(shè)備的可靠性和性能,如何在源頭驗證PCB的可制造性就至關(guān)重要,這也是PCB制造的關(guān)鍵問題。
因此,有效管理電路板的散熱至關(guān)重要。PCB的散熱起著至關(guān)重要的作用,所以讓我們討論一些PCB散熱技術(shù)。
廣泛使用的散熱PCB材料包括覆銅環(huán)氧玻璃布基板或酚醛樹脂玻璃布基板,少數(shù)還使用紙基銅包板。
雖然這些基板具有優(yōu)異的電氣和加工性能,但它們的散熱性很差。作為高發(fā)熱元件的冷卻方式,幾乎不可能依靠PCB樹脂本身的熱傳導(dǎo),而是將熱量從元件表面散發(fā)到周圍的空氣中。
但隨著電子產(chǎn)品進(jìn)入元器件小型化、高密度組裝、高發(fā)熱時代,僅僅依靠元器件的小表面積進(jìn)行散熱是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
同時,由于QFP和BGA等表面貼裝元件的廣泛使用,電子元件產(chǎn)生的熱量被廣泛傳遞到PCB上。因此,解決散熱問題的最有效方法是增強(qiáng)PCB與發(fā)熱元件直接接觸的固有散熱能力,從而允許熱量通過PCB傳導(dǎo)或散發(fā)。
將熱傳感器放置在冷空氣區(qū)可確保它們獲得更好的空氣流通。
溫度檢測裝置放置在最熱的位置。
同一塊印刷電路板上的元件應(yīng)盡可能根據(jù)其發(fā)熱和散熱水平進(jìn)行分區(qū)。發(fā)熱量低或耐熱性差的元件(如小信號晶體管、小型集成電路、電解電容器等)應(yīng)放置在冷卻氣流(入口)的上游,而發(fā)熱量較高或耐熱性較好的元件(如功率晶體管、大型集成電路等)應(yīng)放置在冷卻氣流的下游。
在水平方向上,大功率器件應(yīng)放置在更靠近印刷電路板邊緣的位置,以縮短傳熱路徑。在垂直方向上,大功率器件應(yīng)放置在印刷電路板上方,以盡量減少它們在運行過程中對其他器件溫度的影響。設(shè)備印刷電路板內(nèi)的散熱主要依賴于氣流。因此,在設(shè)計階段,研究氣流路徑并適當(dāng)布置組件或印刷電路板非常重要。
空氣在運動時往往會流向阻力較低的區(qū)域。因此,在印刷電路板上布置組件時,重要的是要避免在特定區(qū)域留下較大的開放空間。在系統(tǒng)內(nèi)的多個PCB上放置組件時也應(yīng)考慮這一原則。
理想情況下,對溫度敏感的設(shè)備應(yīng)放置在最涼爽的區(qū)域,例如設(shè)備底部。避免將它們直接放置在發(fā)熱組件上方至關(guān)重要。布置多個設(shè)備時,建議在水平面上采用交錯布局。
將功耗最高、發(fā)熱量最大的設(shè)備放置在最佳冷卻位置附近。避免將高發(fā)熱設(shè)備放置在印刷電路板的角落和邊緣,除非附近布置了冷卻設(shè)備。
在設(shè)計功率電阻器時,建議選擇較大的器件,并在調(diào)整印刷電路板布局時保證足夠的散熱空間。
對于高發(fā)熱元件,可以添加散熱片和導(dǎo)熱板。當(dāng)只有少數(shù)組件產(chǎn)生大量熱量(少于 3 個)時,可以將散熱器或熱管連接到加熱組件上。如果溫度不能充分降低,可以使用配備風(fēng)扇的散熱器來增強(qiáng)散熱效果。
當(dāng)有大量發(fā)熱元件(超過3個)時,可以采用更大的散熱外殼(板)。這種專用散熱器是根據(jù) PCB 板上發(fā)熱元件的位置和高度定制的,或者它可能涉及在大型扁平散熱器上創(chuàng)建不同的元件高度位置。散熱外殼牢固地固定在組件表面,與每個單獨的組件接觸以實現(xiàn)有效散熱。
然而,由于焊接過程中元件高度的一致性差,散熱效果并不理想。通常的做法是通過在組件表面施加柔性熱相變導(dǎo)電墊來增強(qiáng)散熱。
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