SMT印制电路板热设计探讨

SMT印制电路板热设计探讨
一，概述
随着微电子技术的发展，表面贴装器件应用也已经很普遍，SMT的技术已也相当成熟。

目前高密度表面贴装器件的引脚间距一般小于0.5mm，印制板的布线密度亦越来越密，一般线径为0.1-0.3mm，间距为0.2-0.3mm，将向0.05-0.1mm 线径和0.1mm间距发展；多层板也将向20层以上发展。

印制电路板的组装密度的提高，必然增加了单位面积的耗散功率的增加，形成了印制板的热量的高度集中。

个别器件和元器件的温度增加，将影响电路工作的稳定性和可靠性，其主要危害表现为：
1）电子元器件在一定温度范围的交变达到一定的热应力循环次数后，元器件也会因热疲劳而失效。

2）温度的变化会引起电子器件的工作性能的改变。

如晶体管的电流放大倍数的随温度的变化，将引起工作点的漂移，引起系统工作的不稳定，降低器件的寿命和可靠性。

3）组件的温度值过高，将造成印制板基板的电性能和机械性能恶化，严重时引起印制板发黑甚至烧穿。

如，环氧玻璃纤维的玻璃转化温度为1250C，热膨胀系数（CTE）为13-18ppm/0C;FR-6环氧玻璃纤维印制板的最高连续温度规定为1050C.
4）温度的升高使印制板或组件的吸湿，吸尘能力加强，电化学反应的速度加快，印制板防腐蚀、抗静电能力降低等。

因此，电子设备的热设计是工程设计人员值得研究的一门重要学科内容，热设计的研究成果已广泛的运用到电子产品中。

本文仅针对SMT印制板的设计中一些具体热设计措施和方法进行探讨和归纳，供工程设计人员参考。

二，SMT印制板热设计
1．SMT印制板基材的选择
SMT印制电路板的基材选择取决于对基材的要求，一般情况下应分析的参数包括：热膨胀系数、玻璃转变温度、热导性、拉升模量、抗弯强度、介电常数、体电阻、表面电阻、吸潮性以及成本核算、电性能要求以及布线密度等。

综合这些内容后，选择一种性价比合理的印制板基材。

下表1给出了目前常用的PCB基材的类型和连续工作状态下的最高温度值：
表1：PCB基材类型和最高连续温度
*170°C下电性能下降，180°C时机械性能下降。

应该引起注意的是，表中所列出的基材的连续高温仅是我们考虑选择印制板基材的基础，实际情况是加工好的印制板的热性能可能会有很大的差别。

印制板的设计（例如印制板尺寸、金属量的多少和分布、层数等）对印制板的热性能均有很大的影响。

因此，重视印制板的设计对热性能的改善取到了至关重要的作用。

2，引起SMT印制板温升的原因浅析
引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，任何电子器件均不同程度的存在功耗，因功耗的大小不同，发热强度不同。

印制板中温升的二种现象：1）局部温升或大面积温升，2）短时温升或长时间温升。

在分析PCB热功耗时，一般可以从以下几个方面来分析：
A,电气上功耗分析：1）分析单位面积上的功耗；2）分析PCB板上功耗的分布。

B,印制板的结构上分析：1）印制板的尺寸；2）印制板的材料。

C,印制板的安装方式：1）安装方式（如垂直安装，水平安装）；2）密封情况和离机壳的距离。

D,热辐射：1）印制板表面的辐射系数；2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度；
E,热传导：1)安装散热器；2）其他安装结构件的传导。

F,热对流：1）自然对流；2）强迫冷却对流。

从PCB上述各因素的分析是解决SMT印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参
数。

限于专业和篇幅问题，下面仅对SMT印制板设计时的热设计布局进行阐述。

三，SMT印制板的热设计基本原则和计算方法
在分析电路和其它热因素的情况下，考虑SMT印制板布线时，应遵循的基本原则是：
1，避免PCB上的热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上，保持PCB表面温度性能的均匀和一致。

往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的，但一定要避免功率密度太高的区域，以免出现过热点影响整个电路的正常工作。

如果有条件的话，进行印制电路的热效能分析是很有必要的，如现在一些专业PCB设计软件中增加的热效能指标分析软件模块，可以帮助设计人员优化电路设计。

2，将最高功耗和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。

3，不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置。

4，在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件，且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。

5，高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。

6，为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料（如涂抹一层导热硅胶），并保持一定的接触区域供器件散热。

7，器件与基板的连接：1）尽量缩短器件引线长度；2）选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，如果可能的话，尽量选择引线横段面最大。

3）选择管脚数较多的器件。

8，器件的封装选取：1）在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率。

2）应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径。

3）在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。

PCB设计人员在分析热性能指标时，对器件的温升可利用热阻和功耗来进行简单计算，公式为：T=R*P
R=器件与印制板件热阻总和（0C/W）;P=器件的功耗值（W）,T=器件的温升值（0C）.
如下图1示例，热阻总和计算为RT=R1+R2+R3+R4+R5,其中RT为从器件上部至PCB底部的热阻总和。

图1：热阻的等效计算图例
每一种特定材料的热阻计算公式为：R=L/KA,L=材料层的厚度（mm），K=材料的导热系数（W/0C-mm）,A=材料层的截面积（mm2）。

下表2给出了常用的几种材料的导热系数：
四，SMT印制板热设计探讨
在实际SMT印制板的设计中一般分为二个阶段：总体设计和线路设计。

总体设计过程中应确定关键器件和基板材料的选择，PCB板线路密度要求以及系统指标的确定等。

线路详细设计阶段是根据整体要求进行PCB的布局与布线工作。

在器件的布局和布线工作中应重点注意的几个问题：
1，功耗大的器件的选择。

在需要使用大功耗的器件时，首先应明确该器件是否为最佳选择，封装形式，引脚的多少，引脚截面等参数是否合理。

2，印制板材料和层数的选择。

确定器件最高连续工作温度和环境温度等条件，选择适合的印制板基材。

使用多层板时，其中的地线层既可以取到屏蔽作用也可充当热抟导材料散热。

3，散热通孔的设置。

设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。

如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。

在电路生产过程中焊锡将其填充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜泊散发掉，如下图3所示。

在一些特定情况下，专门设计和采用了有散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。

图3，散热通孔的布置
4，导热材料的使用；为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料（如表3＜表3见下面＞导热硅脂，导热胶的技术参数），提高热传导效率。

如下图4（图4见面）给出了晶体管与基板的连接图示例。

5，工艺方法：对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。

使器件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。

6，散热装置的使用；一些高功耗器件发热量大，可采用安装散热器（或散热片），加大散热面（如图5所示）。

应注意的是散热器的安装方向和空气的流向。

散热器种类很多，使用和设计时可查阅相关手册。

7，线路布线的规定：印制电路的基板广泛采用由以玻璃纤维为基材的环氧树脂层合板，或以纸为基材的酚醛树脂层合板。

导电材料一般为铜箔。

印制板上的发热元件产生的部分热量，通过导线传到印制电路的基板上。

由于基板导线系数远小于铜箔，因此热量几乎都集中在铜箔上，从而引起电路导线的温升。

为此在设计印制板时应根据电路板电流大小和允许的温升，来选择印制导线的宽度。

下图6（图6见下面）提供了选取印制导线宽度的曲线。

表3：常用导热脂，胶的技术参数
五结束语
随着印制电路的布线密度和SMD器件的集成度不断提高，印制电路的热设计也越来越引起人们的注意和重视，该文章的内容仅阐述了一些基本的热设计思想，只要我们不断对热设计的范畴和理论进行研究和科学地运用到SMT印制电路的设计中，印制板的设计质量和可靠性就一定能提高。