PCB 热设计注意事项

随着功率元件采用越来越小的表面贴装封装，重要的是要提出一种一致的方法来降低 PCB 设计中这些元件的散热需求。虽然对 PCB 设计的热特性进行精确的数学分析可能是一个复杂的过程，但可以应用一些简单的规则来改善设计的热传导。最终，正确控制设计中的散热将使您能够生产出更可靠、更经济的 PCB 设计。以下是对标准散热模型的简要讨论，然后是一些在您的设计中处理散热的一般规则。

首先，重要的是定义将在本条目的其余部分中使用的术语。下图展示了我们在讨论热管理时必须考虑的功率 IC 的不同组件。在本文中，我们将讨论组件的结、顶部和外壳的温度以及它们对周围环境的热阻。

掌握了这些术语后，我们将简要介绍用于模拟组件散热的标准模型。热阻通常被建模为电阻网络。组件的标准模型如下图所示：

在图中，TJ 定义为结的温度（组件的内部工作部分），TT 是封装“顶部”的温度（通常是组件的塑料外壳），TC 是“外壳”（这是组件的高导热垫和连接的 PCB 的温度）和 TA 是周围环境的温度。电子设计师的目标是在结点和周围环境之间产生尽可能低的热阻。除 θCA 外，系统的热阻（θJT、θTA 和 θJC）由组件的属性定义，并且可以从所述组件的数据表中获取。作为 PCB 设计师，我们主要影响 θCA 的值，这取决于我们的 PCB 设计。因此，设计人员面临的主要挑战是通过降低热阻来降低 IC 外壳对周围环境的热阻。我们降低热阻 (θCA) 的能力在很大程度上决定了在周围环境和组件结之间产生的温差（或缺乏温差）。

值得注意的是，导热的另一条路径是组件的塑料外壳（或“顶部”）。由于大多数功率元件的塑料封装不能为周围环境提供良好的散热路径，因此设计的散热效率在很大程度上取决于设计通过其外壳将热能消散到周围环境的能力。唯一的例外是当所讨论的电源 IC 设计有位于组件顶部的导热垫时。在这种情况下，IC 设计为将散热器直接连接到 IC 顶部，组件通过其“顶部”的散热成为设计中更重要的因素。

将热量从功率元件中转移出去的标准方法是通过热通孔将功率元件热连接到相邻的铜平面。这通常通过在电源 IC 的封装中放置多个通孔来实现。这些通孔为 IC 下方的铜层提供热连接，然后将热量从组件中传导出去。

此外，通过所述散热孔连接到电源IC的电源铜层越多，PCB的散热效率就越高。例如与同样面积的设计相比，使用 4 层设计与 2 层设计相比，可以将 PCB 的功耗能力提高多达 30%。

提供以下设计规则作为处理设计散热考虑的良好起点。

一个。为了耗散 1 瓦的功率，一个好的经验法则是，当电路板温度升高 40°C 时，每瓦耗散的电路板需要 15.3 cm² 或 2.4 in² 的面积。如果电路板受气流影响，则此要求可减半（7.7 cm² 或 1.2 in² 每瓦）。这些值假设组件热耦合到延伸到电路板边缘的铜平面，并且电路板的位置使得空气可以在电路板的两侧自由流动。如果这些功率密度要求对您的设计来说过于严格，则可能需要包含一个外部散热器。此外，在控制电路板温度时，40°C 的温升是一个很好的起点。

湾。每当板上放置多个电源组件时，最佳做法是放置这些组件，以使您的 PCB 被这些组件均匀加热。 PCB 设计长度上的大温差不允许您的 PCB 以最佳方式将热能从已安装的功率元件中转移出去。如果设计人员可以使用，热成像可以在设计修订完成后对您的组件放置进行经验检查。

C。您可以在组件下方放置的通孔越多，您的 PCB 将更好地将热能传递到连接的铜平面。阵列过孔以增加与封装电源焊盘（组件的大导热焊盘）接触的数量。

d。在耗散更高功率的设计中，您将需要使用更高重量的铜。建议以 1 盎司铜作为电源设计的起点。

e.当使用铜浇注将热能从组件中消散时，重要的是不要被垂直于远离功率组件的热路径延伸的轨道中断浇注。

F。如果需要使用散热器来将系统温度保持在容差范围内，请注意，如果将散热器以热连接到组件外壳的方式放置，通常会更有效。这通常意味着将散热器连接到电路板与表面贴装元件相对的一侧。虽然将散热器直接放置在组件顶部可能很诱人，但组件塑料外壳的热阻会使散热器失效。如上所述，此规则的例外情况是明确设计为将散热器连接到其“顶部”的封装。

总之，无论何时使用功率元件，设计的热性能都非常重要。在 PCB 设计过程的早期使用本文中介绍的设计规则将使您在控制 PCB 温度方面获得良好的开端，并避免在开发过程后期进行剧烈的重新设计。

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