印制线路板的散热设计

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1、印制线路板的散热设计王艾戎，龚莹（国营第407厂研究所，陕西咸阳712099）1前言   PWB是指在绝缘基材上形成的导电图形，其作用是安装电子元件，使元件的端子之间连接起来形成电路。随着电子设备向轻薄短小化发展，PWB装载元件密度提高，使PWB上热量高度聚集。如果PWB散热设计不良，会使电子元件焊接部位的焊锡熔化，塑料外壳和PWB基材燃烧。为了保证电子设备的性能长期稳定，要求不断提高PWB的散热性，同时采用适当的技术降低高发热元件的温度。以下探讨PWB的散热设计与对策。2PWB的散热设计2.1估计导体图形的温度上升值   PWB上的导体图形是由铜箔制作的，导体本身并不发热。由于

2、导体图形存在电阻，通电时就会发热。毫安（mA）和微安（μA）量级的小电流通过时，发热问题可以忽略不计。但是，当安培量级的电流通过导体时，发热问题不能忽视。当导体图形的温度上升到85℃左右时，普通的绝缘板自身开始变黄，继续通电时，绝缘基材劣化，失去对元件的支撑功能。因此，设计PWB时要对导体图形的温度上升值作出估计。   图1示出导体宽度和导体截面积与允许电流之间的关系，由图1可以估计导体的温度上升值，也可用于导体图形的线宽设计。例如，设计1个多层PWB板，允许通过的电流为2A，允许的温升为10℃时，由A点可确定PWB的导体截面积；在导体截面积相同的条件下，由C点可确定PWB的铜箔

3、厚度为35μm时，导体线宽应设计为2mm，由B点可确定PWB铜箔厚度为70μm时，导体线宽应设计为1mm。导体的截面积/10－3mm2图1   导体宽度和导体截面积与允许电流之间的关系（多层板内层导体用）2.2计算PWB的等效导热系数   随着电子设备组装密度的提高，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PWB自身的散热能力。PWB的散热能力，用等效导热系数评价，环氧玻璃布PWB表面的等效导热系数（λeq）计算公式如式（1）所示。   等效导热系数=〔∑i层的导热系数×i层的厚度×i层的导体图形剩余率〕/PWB的总厚度（1）   i层的导体图形剩余率，对铜箔层为铜箔的剩余率

4、；对绝缘层，其剩余率为1。图2   4层印制线路板的等效导热系数计算   以单面、双面和4层环氧玻璃布基PWB为例，计算其等效导热系数，计算结果分别见表1、表2和表3。   表1 单面PWB的等效导热系数W/m℃PWB厚度/mm1.61.2铜箔厚度/μm35183518铜箔剩余率/％1009.2512.16.5706.63.68.64.7202.21.42.81.7               表2  双面PWB的等效导热系数W/m℃PWB厚度/mm1.61.2铜箔厚度/μm双面均为35双面均为18双面均为35双面均为18铜箔剩余率/％10017.99.423.712.47012

5、.76.816.78.82042.35.12.9                        表3  四层PWB的等效导热系数W/m℃PWB厚度/mm1.61.2铜箔厚度/μm2面均为352层352层184层均为184层均为352层352层184面均为18铜箔剩余率/％10035.326.818.446.935.624.47024.818.91332.925.117.24516.112.38.521.316.311.2207.45.74.19.77.55.2   由表1到表3可以看出，环氧玻璃布基PWB的等效导热系数与PWB的总厚度、铜箔剩余率及铜箔厚度有关。当PWB的总厚度、

6、铜箔剩余率及铜箔厚度相同时，等效导热系数随PWB层数的增加而增大；当PWB的总厚度和铜箔厚度相同时，等效导热系数随PWB铜箔剩余率增加而增大；当PWB总厚度和PWB铜箔剩余率相同时，等效导热系数与铜箔厚度成正比；当PWB铜箔厚度和铜箔剩余率相同时，等效导热系数与PWB总厚度成反比，即PWB的厚度越薄，其等效导热系数越大。2.3导热孔设计及散热能力计算   PWB厚度方向的导热系数比表面的导热系数小得多，为了改善厚度方向的导热性，可以在PWB上设计导热孔。导热孔是穿透PWB的小孔，一般直径为1.0mm～0.4mm，孔壁镀铜。由于直径小的铜导管沿PWB厚度方向穿透其表面，使PWB正面

7、的热量发生短路，发热元件产生的热量向PWB的背面散发。在安装IC裸片的PWB上，IC的正下方可以设计多个导热孔，1个直径为1mm、镀20μm厚的铜导热孔，其热阻约为48℃/W。3PWB散热设计对策   PWB单独不能工作，必须在其表面规定的位置安装并焊接电子元件，安装了电子元件的PWB称为印制电路板（PCB）。PCB通电后就能很好地发挥电气功能。目前几乎所有的电子设备都离不开PCB，当其通电时，PCB上的电子元件就成为发热的热源，其散发的热量会使电子设备的温度上升，当超过元件允许