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      為什么PCB要考慮熱設計?

      2023/11/1 9:57:17??????點(diǎn)擊:
           一、基礎知識

          100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24℃。這并不是通過(guò)升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來(lái)。
          能量既不會(huì )憑空消失,也絕不會(huì )憑空產(chǎn)生。這就是最重要“能量守恒定律”。

          ℃是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過(guò)是根據能量的多少表現出來(lái)的一種現象。即使能量相同,如果集中在一個(gè)狹窄的空間內,溫度就會(huì )升高,而大范圍分散時(shí),溫度就會(huì )降低。

          電子產(chǎn)品接通電源后一段時(shí)間內,多半轉換的熱能會(huì )被用于提高裝置自身的溫度,而排出的能量?jì)H為少數。之后,裝置溫度升高一定程度時(shí),輸入的能量與排出的能量必定一致。否則溫度便會(huì )無(wú)止境上升。



          熱量的傳遞有導熱,對流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設備散熱過(guò)程中,這三種方式都有發(fā)生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下
          公式計算如下:

          其中,λ、α 、ε分別為導熱系數,對流換熱系數及表面的發(fā)射率,A是換熱面積。


          熱設計的目的:


          采用適當可靠的方法控制產(chǎn)品內部所有電子元器件的溫度,使其所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩定運行要求的最高溫度,以保證產(chǎn)品正常運行的安全性,長(cháng)期運行的可靠性。
          耗散的熱量決定了溫升,因此也決定了給定器件的溫度;熱量以導熱,對流及輻射傳遞出去,每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比;熱量、熱阻和溫度是設計中的重要參數。
          溫升:元器件溫度與環(huán)境溫度的差。
          熱耗:元器件正常運行時(shí)產(chǎn)生的熱量,熱耗不等同于功耗。
          熱流密度:?jiǎn)挝幻娣e上的傳熱量,單位W/m。l熱阻:熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力大小。
          Rja,元器件的熱源結構(junction)到周?chē)鋮s空氣(ambient)的總熱阻。
          Rjc,元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻。

          Rjb,元器件的結與PCB板間的熱阻。


          常見(jiàn)的散熱方式:


         .  自然對流換熱


          通過(guò)自然對流的方式冷卻,不必使用風(fēng)扇,主要通過(guò)空氣受熱膨脹產(chǎn)生的浮升力使空氣不斷流過(guò)發(fā)熱表面,實(shí)現散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備,成本低。


        .   強迫對流換熱-風(fēng)扇冷卻


          主要有吹風(fēng)與抽風(fēng)兩種方式,那么,為什么要關(guān)注“熱設計”?
          器件極限溫度承受能力是高壓線(xiàn),超過(guò)后失效率劇增,使用中不允許超過(guò)。在極限溫度以?xún)?,器件失效率與溫度仍然強相關(guān),失效率隨著(zhù)溫度升高而增加。
          是否存在一個(gè)安全溫度點(diǎn),只要不超過(guò)這個(gè)溫度點(diǎn),失效率與溫度就不密切?
          理論與實(shí)際表明,多數情況下不存在這樣的溫度點(diǎn)。

          1、熱量傳遞的三種基本方式
          導熱:
          物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子的熱運動(dòng)而產(chǎn)生的熱量稱(chēng)為導熱。例如,固體內部的熱量傳遞和不同固體通過(guò)接觸面的熱量傳遞都是導熱現象。芯片向殼體外部傳遞熱量主要就是通過(guò)導熱。

          導熱過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算:
          傅立葉定律是法國著(zhù)名科學(xué)家傅立葉在1822年提出的一條熱力學(xué)定律。該定律指在導熱過(guò)程中,單位時(shí)間內通過(guò)給定截面的導熱量,正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。
          傅立葉定律是熱傳導的基礎。它并不是由熱力學(xué)第一定律導出的數學(xué)表達式,而是基于實(shí)驗結果的歸納總結,是一個(gè)經(jīng)驗公式。同時(shí),傅立葉定律是定義材料的一個(gè)關(guān)鍵物性,熱導率的一個(gè)表達式。
          另外,如上所述,傅立葉定律是一個(gè)向量表達式。熱流密度是垂直于等溫面的,并且是沿著(zhù)溫度降低的方向。傅立葉定律適用于所有物質(zhì),不管它處于什么狀態(tài)(固體、液體或者氣體)。

          一般來(lái)說(shuō),固體的導熱系數大于液體,液體的大于氣體。例如:常溫下純銅的導熱系數高達400 W/(m*℃) ,純鋁的導熱系數為236W/(m*℃),水的導熱系數為0.6     W/(m*℃),而空氣僅為0.025W/(m*℃)左右。鋁的導熱系數高且密度低,所以散熱器基本都采用鋁合金加工,但在一些大功率芯片散熱中,為了提升散熱性能,常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。
          對流換熱:
          對流換熱是指運動(dòng)著(zhù)的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過(guò)程,這是通信設備散熱中中應用最廣的一種換熱方式。根據流動(dòng)的起因不同,對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類(lèi)。
          前者是由于泵、風(fēng)機或其他外部動(dòng)力源所造成的;而后者通常是由于流體自身溫度場(chǎng)的不均勻性造成不均勻的密度場(chǎng),由此產(chǎn)生的浮升力成為運動(dòng)的動(dòng)力。機柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱,就是最典型的強制對流換熱。在終端產(chǎn)品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流(例如終端外殼和外界空氣間的換熱)和有限空間自然對流(例如終端內的單板和終端內的空氣)。
          值得注意的是,當終端外殼與單板的距離小于一定值時(shí),就無(wú)法形成自然對流,例如手機的單板與外殼之間就只是以空氣為介質(zhì)的熱傳導。
          對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算如下:


          熱輻射:
          塑料外殼表面噴漆,PWB表面會(huì )涂敷綠油,表面黑度都可以達到0.8,這些都有利于輻射散熱。對于金屬外殼,可以進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高黑度,強化散熱。對輻射散熱一個(gè)最大錯誤認識是認為黑色可以強化熱輻射,通常散熱器表面黑色處理也助長(cháng)了這種認識。
          實(shí)際上,物體溫度低于1800℃時(shí),有意義的熱輻射波長(cháng)位于0.38~100μm之間,且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內,在可見(jiàn)光波段內,熱輻射能量比重并不大。顏色只與可見(jiàn)光吸收相關(guān),與紅外輻射無(wú)關(guān),夏天人們穿淺色的衣服降低太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光輻射吸收。因此終端內部可以隨意涂敷各種顏色的漆。
          2、熱阻的概念
          對導熱和對流換熱的公式進(jìn)行變換:

          熱量傳遞過(guò)程中,溫度差是過(guò)程的動(dòng)力,好象電學(xué)中的電壓,換熱量是被傳遞的量,好像電學(xué)中的電流,因而上式中的分母可以用電學(xué)中的電阻概念來(lái)理解成導熱過(guò)程的阻力,稱(chēng)為熱阻(thermal resistance),單位為℃/W,其物理意義就是傳遞1W的熱量需要多少度溫差。在熱設計中將熱阻標記為R或θ。δ/(λA)是導熱熱阻, 1/αA是對流換熱熱阻。器件的資料中一般都會(huì )提供器件的Rjc和Rja熱阻,Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻;Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。這些熱阻參數可以根據實(shí)驗測試獲得,也可以根據詳細的器件內部結構計算得到。根據這些熱阻參數和器件的熱耗,就可以計算得到器件的結溫。

          下圖形象地表達了歐姆定律,類(lèi)比歐姆定律,熱差類(lèi)比于電壓,熱阻類(lèi)比于電阻,熱耗類(lèi)比于電流。

          



          兩個(gè)名義上相接觸的固體表面,實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上,如右圖所示,在未接觸的界面之間的間隙中常充滿(mǎn)了空氣,熱量將以導熱和輻射的方式穿過(guò)該間隙層,與理想中真正完全接觸相比,這種附加的熱傳遞阻力稱(chēng)為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料(如硅脂)填充界面間的空氣。在涉及熱傳導時(shí),一定不能忽視接觸熱阻的影響,需要根據應用情況選擇合適的導熱界面材料,如導熱脂、導熱膜、導熱墊等。



          二、器件熱特性


          1、認識器件熱阻
          JEDEC芯片封裝的熱性能參數:

          熱阻參數如下:


            θja,結(即芯片)到空氣環(huán)境的熱阻:θja=(Tj-Ta)/P
            θjc,結(即芯片)到封裝外殼的熱阻:θjc=(Tj-Tc)/P

            θjb,結(即芯片)到PCB的熱阻:θjb=(Tj-Tb)/P


          熱性能參數如下:


          ψjt,結到封裝頂部的熱參數:ψjt =(Tj-Tt)/P
          ψjb,結到封裝底部的熱參數:ψjb =(Tj-Tb)/P
          Tj——芯片結溫,℃
          Ta——空氣環(huán)境溫度,℃
          Tb——芯片根部PCB表面溫度,℃
          Tt——芯片表面溫度,℃
          θja 熱阻參數是封裝的品質(zhì)度量(Figure of Merit),并非Application-specific,θja的正確的應用只能是芯片封裝的熱性能品質(zhì)參數(用于性能好壞等級的比較),不能應用于實(shí)際測試/分析中的結溫預計分析。從90年代起,相對于θja人們更需要對實(shí)際工程師預計芯片溫度有價(jià)值的熱參數。適應此要求而出現三個(gè)新參數:θjb 、ψjt和ψjb 。
          ψjb可適當的運用于熱分析中的結溫分析;
          ψjt可適當運用于實(shí)際產(chǎn)品熱測試中的結溫預計;
          θjc是結到封裝表面離結最近點(diǎn)的熱阻值;
          θjc測量中設法使得熱流“全部”由封裝外殼通過(guò);
          ψjt與θjc完全不同,并非是器件的熱阻值,只是個(gè)數學(xué)構造物,只是結到TOP的熱特征參數,因為不是所有熱量都是通過(guò)封裝頂部散出的。
          在實(shí)際應用中, ψjt對于由芯片封裝上表面測試溫度來(lái)估計結溫有有限的參考價(jià)值。
          θjb用來(lái)比較裝于板上表面安裝芯片封裝熱性能的品質(zhì)參數(Figure of Merit),針對的是2s2p PCB,不適用板上有不均勻熱流的芯片封裝。

          θjb與ψjb有本質(zhì)區別, θjb > ψjb 。與ψjt同理, ψjb為結到PCB的熱特征參數。


          不同封裝的熱特性:

          2、典型器件封裝散熱特性

          普通SOP封裝散熱性能很差,影響SOP封裝散熱的因素分外因和內因,其中內因是影響SOP散熱的關(guān)鍵。影響散熱的外因是器件管腳與PWB的傳熱熱阻和器件上表面與環(huán)境的對流散熱熱阻。內因源于SOP封裝本身很高傳熱熱阻。SOP封裝散熱主要通過(guò)三個(gè)途徑:
          1、die的熱量通過(guò)封裝材料(mold compound)傳導到器件上表面然后對流散熱,低導熱的封裝材料影響傳熱。
          2、die熱量通過(guò)pad、封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后,遞到PWB散熱,低導熱的封裝材料和空氣層影響傳熱 。
          3、die熱量通過(guò)lead Frame傳遞到PWB,lead frame和die之間是極細的鍵合線(xiàn)(golden wire),因此die和leadframe之間存在很大的導熱熱阻,限制了管腳散熱。
          該封裝的特點(diǎn)是die采用cavity up方式布置,pad從封裝底部外露,并焊接在PWB表面;或者在pad底部粘結一個(gè)金屬塊,該金屬塊外露于封裝底部,并焊接在PWB表面。die的熱量通過(guò)金屬直接傳遞到PWB上,消除了原先的封裝材料和空氣層的熱阻。

          該封裝相當與把底部增強散熱型SOP封裝倒置過(guò)來(lái)貼裝到單板上。由于裸露在芯片上表面的pad面積很小,除了起到均勻die溫度的作用外,實(shí)際直接散熱的性能很差,一般還需要與散熱器結合來(lái)強化散熱。如果芯片表面不安裝散熱器,該金屬pad的主要作用是把die傳來(lái)的熱量擴展開(kāi)來(lái),再傳遞給芯片內部的管腳,最后通過(guò)管腳把熱量傳遞給PWB散熱,金屬pad起到縮短die和管腳間傳熱熱阻的作用。

          影響PBGA Rjc和Rja熱阻的因素有很多,從重要程度看依次是:
          1、thermal ball的個(gè)數
          2、die的尺寸
          3、substrate的結構,包括銅皮層數,銅皮厚度
          4、die attachment 材料的導熱系數
          5、gold wire的直徑
          6、PWB上導熱過(guò)孔的數量
          其中,前5個(gè)因素與器件本身的設計相關(guān),因素6與PWB設計相關(guān)。

          一些PBGA芯片在表面貼銅塊強化散熱,由于mold的導熱系數很低,該金屬封裝表面仍為輔助散熱,關(guān)鍵散熱路徑仍在封裝的底部。
          需要了解器件內部的封裝結構選擇散熱方案!

          熱量傳遞方式:
          Die的熱量傳遞給上表面的銅塊,部分熱量通過(guò)銅塊傳遞到環(huán)境中;另外部分
          熱量通過(guò)銅塊依次傳遞給芯片的基板、焊球、PCB后,通過(guò)PCB散熱。

          當FC-BGA封裝熱耗在1~6W時(shí),可以采用直接強迫對流散熱,Rja的范圍在8~12℃/W;當熱耗在4~10W時(shí),需要加散熱器強化散熱,Rja的范圍在5~10℃/W;當熱耗為8~25W時(shí),需要高端的散熱器配合合適的風(fēng)道來(lái)進(jìn)行強化散熱。

          TO器件的散熱往往需要較大的的銅皮,那么對于面積緊張的單板如何來(lái)實(shí)現?
          按重要程度依次為:
          1、過(guò)孔
          2、單板的層結構(地層或者電源層的位置)
          3、地層或者電源層的銅皮厚度
          4、焊盤(pán)厚度


          對于電子設備來(lái)說(shuō),工作時(shí)都會(huì )產(chǎn)生一定的熱量,從而使設備內部溫度迅速上升,如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)出去,設備就會(huì )持續的升溫,器件就會(huì )因過(guò)熱而失效,電子設備的可靠性能就會(huì )下降。因此,對電路板進(jìn)行很好的散熱處理是非常重要的。
          加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔。


          根據上圖可以看到:連接銅皮的面積越大,結溫越低。



          根據上圖,可以看出,覆銅面積越大,結溫越低。
          熱過(guò)孔:
          熱過(guò)孔能有效的降低器件結溫,提高單板厚度方向溫度的均勻性,為在 PCB 背面采取其他散熱方式提供了可能。通過(guò)仿真發(fā)現,與無(wú)熱過(guò)孔相比,在器件熱功耗為 2.5W 、間距 1mm 、中心設計 6x6 的熱過(guò)孔能使結溫降低 4.8°C 左右,而 PCB 的頂面與底面的溫差由原來(lái)的 21°C 減低到 5°C 。熱過(guò)孔陣列改為 4x4 后,器件的結溫與 6x6 相比升高了 2.2°C ,值得關(guān)注。

          IC背面露銅,減小銅皮與空氣之間的熱阻。



          3、單板器件的散熱途徑


          好的電路板板散熱方案必須針對器件的散熱特性進(jìn)行設計
          THD器件的管腳數量少,焊接后封裝也不緊貼單板,與單板的熱關(guān)聯(lián)性很小,該類(lèi)器件的熱量都是通過(guò)器件表面散到環(huán)境中。因此早期的器件散熱研究
          比較注重于器件表面的空氣流動(dòng),以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數。
          SMD器件集成度高,熱耗也大,是散熱關(guān)注的重點(diǎn)。該類(lèi)器件的管腳/焊球數量多,焊接后封裝也緊貼單板,與單板建立起緊密的換熱聯(lián)系,散熱方案必須從單板整體散熱的角度進(jìn)行分析。SMD器件針對散熱需求也出現了多種強化散熱的封裝,這些封裝的種類(lèi)繁多,但從散熱角度進(jìn)行歸納分類(lèi),以引腳封裝和焊球封裝最為典型,其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類(lèi)推。
          PGA類(lèi)的針狀管腳器件基本忽略單板散熱,以表面散熱為主,例如CPU等。

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