PCB芯片散熱設(shè)計的案例
PCB芯片散熱焊盤如何設(shè)計？
01
前言
工作中的電路板有許多發(fā)熱比較大的元器件，比如MOS管、LED、三極管，尤其在滿載的情況下更為嚴(yán)重，散熱通孔是眾所周知的一種通過電路板表面貼裝元件的散熱方法。
在結(jié)構(gòu)上，板上開有一個通孔，如果該板是單層雙面板，則使銅箔連接電路板的頂面和底面，以增加用于散熱的面積和體積，降低熱阻。
在多層板的情況下，熱通孔可以連接多個層，或者可以僅限于層的部分連接，但是在所有情況下，基本原理都是相同的。
將貼片元件的散熱焊盤貼片安裝在PCB上，可以降低熱阻。熱阻取決于用于散熱的PCB上銅箔的面積和厚度，以及板的厚度和材料。本質(zhì)上，這些材料越寬越厚，散熱效果就越大。
但銅箔的厚度通常需要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，且不能過厚。此外，由于微型化仍然是基本設(shè)計要求，因此PCB的面積應(yīng)依照實際需求設(shè)計，實際的銅箔的厚度也不能做的得非常大，因此當(dāng)PCB超過一定的單面散熱面積時，單面電路板散熱效果會大打折扣。FR-4的導(dǎo)熱系數(shù)非常低。
解決這些問題的一種措施是使用熱通孔，通孔是通過鉆孔和鍍銅而形成的，與PTH或通孔用于層之間的電氣互連的方法相同。為了有效地使用散熱孔，散熱孔應(yīng)靠近加熱元件放置。
如下圖所示，利用了熱平衡的影響，因此很明顯將具有較大溫差的區(qū)域連接起來效果會很不錯。
02
空心過孔與填充過孔影響
空心式通孔相比填充式通孔相比，空心式通孔將導(dǎo)致更高的熱阻。對于直徑為0.6mm的通孔，使用35 um(1 oz.)鍍銅，垂直于熱焊盤的面積僅為0.06 mm2，而焊料填充通孔的面積為0.28 mm2，導(dǎo)致熱阻為64°C/W，而填充了焊料則為42°C/W，如果完全填充銅則為14°C/W。
展開 熱設(shè)計的重要性以及PCB電路板散熱設(shè)計技巧
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一、熱設(shè)計的重要性
電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，比如射頻功放，F(xiàn)PGA芯片，電源類產(chǎn)品，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發(fā)，設(shè)備會繼續(xù)升溫，器件就會因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對熱設(shè)計的研究顯得十分重要。
搞射頻的兄弟有柴，這樣散熱也行？
對于PCB電路板的散熱是一個非常重要的環(huán)節(jié)，那么PCB電路板散熱技巧是怎樣的，下面我們一起來討論下。
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。因此，對電路板進(jìn)行很好的散熱處理是非常重要的。
二、印制電路板溫升因素分析
引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。
印制板中溫升的 2 種現(xiàn)象：
（1） 局部溫升或大面積溫升；
（2） 短時溫升或長時間溫升。在分析 PCB 熱功耗時，一般從以下幾個方面來分析。
展開 如何利用PCB設(shè)計改善散熱
g、將功耗最高和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設(shè)計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調(diào)整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
h、元器件間距建議：
【經(jīng)驗分享】如何利用PCB設(shè)計改善散熱
g、將功耗最高和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設(shè)計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調(diào)整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
h、元器件間距建議：
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芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環(huán)形冷泵散熱系統(tǒng)說起
3、當(dāng)初步結(jié)構(gòu)敲定后，就可以對整個“BOX“進(jìn)行系統(tǒng)性散熱仿真，因為我們關(guān)注的是芯片的結(jié)溫，所以對于器件仿真還是可以用雙熱阻處理，并且PCB導(dǎo)入后期的詳細(xì)布線信息。對于散熱凸臺和器件之間，需要考慮添加界面材料，根據(jù)縫隙的保留大小來設(shè)置界面材料的厚度，不要超過1mm。然后對于頂部主要起散熱作用的散熱齒，需要根據(jù)實際邊界來設(shè)計它的齒間距，齒厚、基板厚度和齒高參數(shù)，以求得最佳結(jié)構(gòu)方案。
4、產(chǎn)品與環(huán)境的熱交換除了對流換熱，輻射在自然對流中的占比也是比較多的，畢竟產(chǎn)品與環(huán)境可能存在著幾十?dāng)z氏度的溫差。對于散熱外殼的表面處理，盡量提高其表面的發(fā)射率，比如陽極氧化或者噴漆等等，在結(jié)合成本控制的同時盡量來提高產(chǎn)品的散熱效果。
樣件制作完成后，也需要做多輪的熱測試驗證，驗證表面處理、界面材料、功耗、環(huán)溫對芯片結(jié)溫的實際影響，將仿真與實驗數(shù)據(jù)做對比，review參數(shù)設(shè)置，并多做總結(jié)，形成一個閉環(huán)的設(shè)計思路，不斷提高熱設(shè)計水平。
三、Icepak板級熱仿真實操
熱設(shè)計當(dāng)今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結(jié)構(gòu)，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對于電子散熱仿真是一款非常專業(yè)的軟件。在汽車電子散熱仿真來說，由于車廠其他結(jié)構(gòu)和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統(tǒng)一習(xí)慣，也為了處理異形的CAD結(jié)構(gòu)，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來說，F(xiàn)lotherm有一定的優(yōu)勢，它需要更多繁瑣注意項，以及操作流程。
不光是汽車行業(yè)，這幾年芯片計算能力需求的飛速發(fā)展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設(shè)計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結(jié)構(gòu)熱耦合仿真。
展開 PCB設(shè)計對電子器件散熱性能之影響
在強(qiáng)制對流時，由于可以得到強(qiáng)大的通風(fēng)力，因此設(shè)計重點則是提高零件到表面的熱傳系數(shù)，加速空氣的混合，圖十a(chǎn) 的擺設(shè)方式雖然造成阻礙，但是如果風(fēng)量足夠，擾流所引起的熱傳系數(shù)增加所造成的冷卻效果較大。
5. 器件配置配合系統(tǒng)設(shè)計
應(yīng)將發(fā)熱量高的原件安裝于系統(tǒng)中方便通風(fēng)的地方，例如通風(fēng)口旁或接近風(fēng)扇的地方，尤其是空間小的電子裝置如筆記本電腦等。如此可縮短散熱路徑，也不會加熱到其它的裝置或器件。
結(jié)論
隨著電子產(chǎn)品發(fā)熱密度的不斷提升，PCB的散熱需求也越來越受到重視，良好的器件散熱設(shè)計將可使器件的熱有效散去而使過熱問題的發(fā)生機(jī)會降低【8】。當(dāng)器件散熱無法滿足需求時，PCB的散熱就成為很重要的設(shè)計方向。有了良好的PCB散熱考慮，就可避免因額外于系統(tǒng)中加裝散熱裝置所產(chǎn)生空間、成本及噪音等問題。良好的基板必須具備高熱傳導(dǎo)性及低熱膨脹系數(shù)，同時也應(yīng)注意焊接線路對散熱的影響，此外一些特殊設(shè)計如金屬基板的設(shè)計都可以協(xié)助PCB散熱。最后在PCB上IC 的布局及系統(tǒng)空氣流向等設(shè)計問題也會影響散熱，是設(shè)計時應(yīng)注意的。
展開 如何對 PCB 設(shè)計中的散熱通孔建模（免費領(lǐng)視頻）
了解如何以適當(dāng)?shù)木群退俣葘?em>散熱通孔建模，從而為極具競爭性的印刷電路板熱設(shè)計流程助力
在電子產(chǎn)品設(shè)計中，進(jìn)行印刷電路板 (PCB) 熱管理以確保組件足夠冷卻，對于可靠性而言至關(guān)重要。對于緊湊設(shè)計的需求以及成本的縮減推動設(shè)計創(chuàng)意階段產(chǎn)生準(zhǔn)確、提早的冷卻選項評估。
本次網(wǎng)絡(luò)研討會介紹 PCB 中廣泛使用的通孔、金屬化孔如何幫助 PCB 熱管理改進(jìn)關(guān)鍵組件周圍的散熱。了解如何使用電子產(chǎn)品冷卻仿真軟件 Simcenter Flotherm XT 準(zhǔn)確而迅速地對散熱通孔進(jìn)行建模，以滿足不同設(shè)計階段的需求。仿真研究演示將介紹 PCB 設(shè)計上熱通孔相對于其他設(shè)計因素的選項、優(yōu)勢和局限。
敬請參加本次網(wǎng)絡(luò)研討會并了解以下內(nèi)容：
散熱通孔如何輔助 PCB 上的散熱
如何在開發(fā)過程中對散熱通孔進(jìn)行建模，即簡單到明確的詳細(xì)方法
安裝于帶有散熱通孔的 PCB 上的組件示例模型所應(yīng)用的方法
演講人：
保羅·布萊斯 (Paul Blais)：西門子 Mentor 業(yè)務(wù)部
約翰·威爾遜 (John Wilson)：西門子 Mentor 業(yè)務(wù)部
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展開 新造車潮起，6場汽車電子設(shè)計精彩講解帶你快人一步：芯片設(shè)計/功能驗證/制造測試/PCB板設(shè)計...
在與Siemens強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手并系統(tǒng)整合后，Siemens EDA已是業(yè)界擁有從設(shè)計到生產(chǎn)制造管理能力的公司。Siemens EDA可實現(xiàn)從小型器件到整體系統(tǒng)的全面管理，以及研發(fā)全流程的可查性與追溯性。任何擁有權(quán)限的研發(fā)參與人員，均可通過系統(tǒng)查詢到想要了解的信息，例如：物料成本、器件庫存信息、器件優(yōu)選件、采購周期等。
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