試論印制電路板(PCB)散熱方案的優化

畢 勝

（海南大學 三亞學院，三亞 572022）

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，電子元器件和設備的單位面積或體積功率密度日益提高，而其帶來的發熱問題，也是商家和研究者共同關注的焦點。相關研究顯示[1]，電子儀器和設備的主要故障是過熱而導致的損壞，溫度過高會造成55%以上的電子儀器和設備的失效；并且電子儀器和設備的失效率伴隨著溫度的升高成指數增長；更有甚者，一些器件還存在10℃法則，即環境溫度每升高10℃，器件的失效率就會增大一倍以上[2]。另外，需要強調的是，電子儀器和設備在具體的使用過程中，所面臨的工作環境，肯定要比試驗測試條件下的環境要更加惡劣和多樣多變，那再加上溫度升高的影響，損壞率就會更高。

另一方面，由于CPU的高使用頻率和電子儀器設備的高密度安裝，如何進行有效的、立體的散熱就成為了備受關注的問題，這不僅關系到上面提到的誤差率和損壞率，更是影響到商品的價格，這也是電子儀器和設備投入生產所必須考慮的核心。[3]研究和實踐均表明，散熱器、風扇及箱體構造等辦法都是比較有效的散熱手段，但這些手段在小型便攜終端的狹小空間內，尤其是安裝在母板上的模組元件，更是經常無用武之地；面對這種狀況，要求基板本身具備散熱效果已經是大勢所趨了。有鑒于此，本文對印制電路板(PCB)的散熱方案進行了探討，以期達到一個較好的散熱優化效果。

1 某信號預處理模塊PCB的基本參數

該PCB采用8層板，板的尺寸為180mm×140mm×1.6mm，板內層有1個地層、2個信號層、3個電源層。板頂層和底層厚2盎司，含銅量20%；兩個信號層厚2盎司，含銅量10%；電源層和地層厚1盎司，含銅量都為80%。經過計算，整個板的總功耗為40.52W，其中為了增強器件的可靠性，各器件的功耗取器件正常工作的最大功耗或設計的最大值。如圖1所示為板上主要功耗元器件的基本參數。

圖1 主要功耗元器件的基本參數示意圖

2 信號預處理模塊PCB散熱方案的優化設計

一般而言，根據環境條件和元器件功耗大小的不同，來綜合考慮PCB中元器件的布局。該PCB采用的是簡化模型，其中：編號為T開頭的電源類元器件，封裝為TO-263-3pin；U1、U2、U5、U6和U7的元器件，封裝為PBGA。由于T開頭的電源類元器件，功耗大、散熱面積小，故是該PCB上的主要熱源，采用詳細熱阻模型建模；而U1、U2、U5、U6和U7，不僅散熱面積較大、且整體的散熱性能相對較好，故采用二熱阻網絡模型建模。最后，根據散熱的相關原則，運用熱力導向優化算法，形成了PCB如圖2所示的元器件布局。

圖2 PCB元器件的優化布局

在對PCB元器件進行了布局好后，接著運用三種散熱方式，在板水平放置、熱面朝上和器件布局優化的情況下，分別對器件的結點溫度做了相關測試。

圖3 自然對流條件下器件結點溫度仿真結果

圖4 強制對流條件下器件結點溫度的防真結果

圖5 熱傳導條件下器件結點溫度的仿真結果

仔細觀察圖3-圖5不難看出，在空氣流速為0.5m/s，即所謂的自然對流條件下，T1-4的結點溫度為140℃，T2-4的結點溫度為139℃，二者均超過規定值125℃，而此時板對應的平均溫度為102℃。而在空氣流速為2m/s，即所謂的強制對流條件下，出現了所有器件的結點溫度均限定于規定的范圍之內的樂觀現象，這便說明了強制對流散熱方案可以很好地滿足設計要求。器件T1-4和器件T2-4在熱傳導條件下，其結點溫度分別是144℃和143℃，同樣超過規定的溫度值，此時102℃是板對應的平均溫度。因此，倘若PCB散熱性能沒有得到適當改善，同時也沒有適時地采用附加散熱措施，設計者也將無從滿足設計上的要求。假如設置相同的器件布局，采用自然對流方式對器件結點的溫度造成的影響是區別于采用傳導方式所可能帶來的影響的，不過二者差別甚小，其主要原因可以歸于熱傳導在散熱過程中起主導作用。然而，倘若換種散熱方式，采用強制對流散熱，當強制對流在散熱過程中起到主導作用時，散熱效果就會愈加明顯。

通過以上對三種散熱方式下各器件結點溫度的分別預測，最終可以確定，強制對流散熱方式是整板最好的散熱方式。然而問題在于，如何通過改善板的散熱能力以實現在自然對流和傳導條件下板也能正常工作的目的。就不同散熱方式所面臨的環境條件而言，傳導散熱方式較之自然對流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。故此處僅對傳導水平放置方式的情況進行討論。

觀察圖1可知，器件T1-4的結點溫度為144℃，T2-4的結點溫度為143℃，二者功率密度均為2.19W/cm2，較之其他器件的結點溫度來說，最大差值可達37℃，最小差值也為13℃，因此，整個熱設計的重點和難點也就集中在了如何有效降低器件T1-4和器件T2-4的結點溫度。

分析以上數據之后，制定散熱方案如下：

1）從整體角度著手，提升板的散熱能力。設計者在設計PCB結構時，可以通過適當增加地層和電源層的銅的含量以求達到提高板平面導熱系數的目的；采用覆銅連接熱過孔，并通過增加熱過孔的個數，以使得板在厚度方向上的導熱能力得以加強。

2）從局部角度著手，將導熱墊或小塊銅皮加載于器件T1-4和器件T2-4的底部與板之間以求減小熱阻；或者也可以利用熱線性疊加原理，減輕與器件T1-4和器件T2-4相鄰器件之間的熱耦合作用。

3）假如以上措施的采用仍不能將器件最高的結點溫度限定于規定的范圍值內，那么從系統級熱設計角度來考慮，此時就需要增加附加散熱措施，譬如采用金屬夾心，或者采用鋁質散熱板，為達到加強板的散熱能力之目的就需要使用邊緣導軌將板邊沿固定在散熱器或機箱壁或冷板上來。

針對以上三種方案，還必須將設計成本以及器件之間連線最短的因素考慮在內，以力求減小干擾，實現方便維修。

3 結論

通過實例分析總功耗為40.52W的某信號預處理模塊的PCB：熱阻模型的選擇需要以各器件的功耗大小為準。在布局各器件時運用熱力導向優化算法以實現最大限度優化的目的，并針對優化布局的可行性分別在三種散熱方式條件下進行仿真預測。就不同散熱方式所面臨的環境條件而言，傳導散熱方式較之自然對流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。因此，將分析和驗證的對象鎖定在了傳導散熱方式上。基于上述基礎，

研究人員制定了三種散熱優化方案并分別對其進行了仿真驗證，結果顯示：器件T1-4之結點溫度由最初基本設置時的144℃降到了91.1℃，而器件T2-4之結點溫度也由最初基本設置時的143℃降到了89℃，至于PCB的平均溫度，其也由初始設置時的101.7℃降到了81.3℃，各項相關數據均達到了PCB初期設計時的基本要求，使得優化方案的可行性也得到了更好地驗證。

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