​#立夏# 气温升高,3招提高电路板的散热效率!

news/2024/4/15 14:45:09

电路板是电子设备的核心,上面安装了各种元器件,如电阻、芯片、三极管等。这些元器件在工作时都会产生一定的热量,从而使电路板的温度升高。如果不及时将这些热量散发出去,电路板就会过热,影响元器件的性能、可靠性和寿命。因此,对电路板进行有效的散热处理是非常重要的。

那么,如何提高电路板的散热效率呢?这里我们介绍几种常用的方法:

1. 通过PCB板本身散热

目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能,但散热性差,作为高发热元件的散热途径,几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量,而是从元件的表面向周围空气中散热1

为了提高PCB本身的散热能力,我们可以采用以下几种方法:

  • 加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔。由于铜箔线路和孔是热的良导体,因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段1。在PCB设计时,可以在发热元件附近增加一层或多层铜箔,并与地线相连,形成一个大面积的散热平面2。这样可以增加散热面积,降低温度梯度,提高散热效率。
  • 使用高导热基材。为了降低PCB树脂层的导热阻力,可以使用具有高导热系数的基材替代传统基材。例如,使用金属基板、陶瓷基板、铝氮化陶瓷基板等3。这些基材不仅具有高导热性能,还具有良好的机械强度、耐温性、耐腐蚀性等优点。
  • 使用多层结构。为了增加PCB厚度方向上的导热路径,可以使用多层结构,并在每层之间设置导热垫或导热胶。这样可以有效地将发热元件产生的热量传递到其他层,并通过多个表面向空气中散热。

2. 高发热元件加散热器、导热板

当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个),可在发热器件上加散热器或导热管,以增强散热效果。散热器是一种通过增加表面积和对流换热来降低元件温度的装置,常见的有金属散热片、风扇散热器、水冷散热器等。导热管是一种利用工质相变传递大量热量的装置,具有结构紧凑、传热性能高、可靠性强等优点。

在选择散热器或导热管时,要注意以下几点:

  • 与发热元件的接触面积要大。接触面积越大,传热效率越高,温度降低越快。因此,要选择合适的尺寸和形状,使散热器或导热管能够与发热元件紧密贴合,避免出现空隙或间隙。
  • 与发热元件的接触面要平整。接触面越平整,接触阻力越小,传热效率越高。因此,要选择表面光滑、无划痕、无凹凸的散热器或导热管,并在安装时使用导热膏或导热垫填充微小的不平整处。
  • 与发热元件的接触方式要牢固。接触方式越牢固,接触阻力越小,传热效率越高。因此,要选择合适的安装方式,如螺丝固定、卡扣固定、胶水粘贴等,并在安装时保证散热器或导热管不会松动或脱落。

3. 优化PCB布局和走线设计

PCB布局和走线设计也会影响电路板的散热效果。我们可以从以下几个方面进行优化:

  • 将温度敏感的元器件放置在冷风区。冷风区是指空气流动时最先经过的区域,温度相对较低。将温度敏感的元器件放置在冷风区,可以避免它们受到其他发热元器件的影响,保证它们的正常工作。
  • 将温度检测器件放置在最热的位置。温度检测器件是指用于监测电路板温度的元器件,如温度传感器、温控开关等。将温度检测器件放置在最热的位置,可以及时发现电路板过热的情况,并采取相应的措施,如调节风扇转速、关闭部分功能等。
  • 同一块印制板上的元器件应按其发热量大小和散热程度分区排列。将发热量小或耐热性差的元器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上游(入口处),将发热量大或耐发热器件上加散热器或导热管,以增强散热效果。散热器是一种利用对流和辐射将热量从元件表面传递到空气中的装置,通常由金属材料制成,具有一定的散热面积和形状。导热管是一种利用相变传热将热量从元件表面传递到远处的装置,通常由真空管、管芯和工质组成,具有高效的传热性能。当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以强化对流散热效果。当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的导热垫来改善散热效果。

3. 采用合理的走线设计实现散热

由于板材中的树脂导热性差,而铜箔线路和孔是热的良导体,因此合理地设计走线可以实现散热的目的。在PCB设计时,我们可以采用以下几种方法:

  • 尽量减少线路长度和宽度。线路长度和宽度越长越宽,电阻越大,发热量越大。因此,在满足电气性能要求的前提下,应尽量缩短线路长度和宽度,减少发热量。
  • 尽量避免走线交叉。走线交叉会增加线路间的耦合电容和电感,造成信号干扰和反射,影响电气性能,并且会增加发热量。因此,在满足信号完整性要求的前提下,应尽量避免走线交叉。
  • 尽量平行走线。平行走线可以增加散热面积,提高散热效率。同时,平行走线可以减少线路间的阻抗不匹配,降低信号反射和失真。
  • 尽量使用多层结构。多层结构可以增加导电层的数量和厚度,提高导电性能和散热性能。同时,多层结构可以减少走线长度和交叉次数,降低发热量。

 


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