圖3 元器件布局原則示意圖
? 最大損耗的元器件應(yīng)靠近PCB邊緣。
? 保證空氣流通并能夠以較大的風(fēng)速流過較熱的區(qū)域。
? 溫度敏感的元器件應(yīng)盡量靠近進(jìn)風(fēng)口。
? 高、大的元器件如電磁元件、電容等不能夠?qū)饬餍纬勺钃酢?br />
? 如果不能消除SWIRL的影響，即無(wú)法保證流出風(fēng)扇框的流場(chǎng)是近似均勻的流場(chǎng)，則必須避免布置高熱器件在流場(chǎng)的旋渦區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速最小。
? 散熱器的安裝方向：要保證散熱器齒槽方向與風(fēng)向平行
? 散熱器周圍與其它元器件的距離推薦小于10mm。
5.5.3 元器件的安裝
元器件的安裝應(yīng)盡量減少元器件殼與散熱器表面間的熱阻，即接觸熱阻。
5.5.3.1 為盡量減小傳導(dǎo)熱阻，應(yīng)采用短通路，即盡可能避免采用導(dǎo)熱板或散熱塊把元器件的熱量引到散熱器表面，而元器件直接貼在散熱器表面則是最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最有效的散熱措施。
5.5.3.2 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應(yīng)在接觸面涂導(dǎo)熱介質(zhì)，常用的導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅油、熱絕緣膠等。
5.5.3.3 對(duì)器件須與散熱器絕緣的情況，采用的絕緣材料應(yīng)同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性能，且能夠承受一定的壓力而不被刺穿，詳見5.5.4。
5.5.3.4把器件裝配在散熱器上時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照我司TS-S0E0102012《大功率管安裝設(shè)計(jì)工藝規(guī)范》中提供的安裝壓力或力矩進(jìn)行裝配，壓力不足會(huì)使接觸熱阻增加，壓力過大會(huì)損壞器件,。
5.5.3.5 將大功率混合微型電路芯片安裝在比芯片面積大的鉬片上。
5.5.3.6 對(duì)于多層印制線路板，應(yīng)利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導(dǎo)熱電阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。
5.5.3.7 當(dāng)利用接觸界面導(dǎo)熱時(shí)，采用下列措施使接觸熱阻減到最小。
5.5.3.7.1 盡可能增大接觸面積。
5.5.3.7.2 確保接觸表面平滑。
5.5.3.7.3 利用軟材料接觸。
5.5.3.7.4 扭緊所有螺栓以加大接觸壓力(注意不應(yīng)殘留過大應(yīng)力)。
5.5.3.7.5 利用合理的緊固件設(shè)計(jì)來保證接觸壓力均勻。
5.5.4 導(dǎo)熱介質(zhì)的選取原則
為了解決功率器件與散熱器間的電氣絕緣問題，功率器件與散熱器間應(yīng)加導(dǎo)熱絕緣材料，考慮到性價(jià)比，在散熱條件不是很惡劣，如功率器件損耗較小或功率器件處于有利的通風(fēng)位置時(shí)，可選用通用的導(dǎo)熱絕緣材料SP400，其它條件下可選用散熱性能較好的SP900S，只有在特殊情況下，才允許選用SP2000。其性能參數(shù)如表1所示
表1 常用熱界面材料性能參數(shù)表
材料
Sil-pad2000
Sil-pad900S
Sil-pad400
陶瓷基片
材料厚度(mm)
0.25±0.025
0.23±0.025
0.23±0.025
0.63±0.025
導(dǎo)熱系數(shù)W/m.k
3.5
1.6
0.9
27
單位面積熱阻
℃-cm2/W
1.29
2.6
4.6
1.2
使用溫度℃
-60～180℃
-60～180℃
-60～180℃
-60～180℃
材料構(gòu)成
硅橡膠/玻璃纖維
硅橡膠/玻璃纖維
硅橡膠/聚脂薄膜
陶瓷＋三氧化二鋁
實(shí)測(cè)熱阻值
<0.4
<0.6
<0.9
<0.35
實(shí)測(cè)熱阻值是在采用TO－247封裝，在緊固壓力為12Kg.cm下測(cè)得的。
5.5.4.1 由于陶瓷基片在安裝時(shí)容易碎裂，所以不推薦使用陶瓷基片。
5.5.4.2 對(duì)于輸出部分，由于總是處于出風(fēng)口的位置，一方面通過其功率管表面及散熱器表面的風(fēng)均為熱風(fēng)，另外輸出二極管部分后面總會(huì)有輸出共模電感或差模電感之類的體積較大的器件，影響出風(fēng)，所以該部分的散熱條件總是比較惡劣，為了減小散熱器的壓力，可考慮采用散熱器懸浮的方法去掉功率管與散熱器間的導(dǎo)熱絕緣膜，使功率管直接貼在散熱器上。
5.5.4.3 為了便于安裝，導(dǎo)熱絕緣膜可考慮選用單面背膠的方法解決導(dǎo)熱絕緣膜的定位問題，即先將導(dǎo)熱絕緣膜粘在安裝位置，再進(jìn)行功率管的安裝與緊固。但必須注意，導(dǎo)熱絕緣膜背膠會(huì)增加其熱阻，由于膠不是良好的導(dǎo)熱介質(zhì)，一般情況下，熱阻會(huì)增加30－40％，所以，在熱設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該部分的冗余。
5.5.4.4 我司推薦的大部分導(dǎo)熱絕緣材料均采用硅橡膠為基體，質(zhì)地較軟，因此，在安裝時(shí)不需要涂硅脂；只有少數(shù)材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等質(zhì)地比較硬的材料必須涂硅脂，要求硅脂必須涂敷均勻，硅脂層厚度小于0.15mm。
5.5.5 PCB板的熱設(shè)計(jì)原則
PCB板熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是有效地把印制板上的熱引導(dǎo)到外部(散熱器和大氣中)。
5.5.1 印制線的載流容量和溫升
設(shè)計(jì)印制板時(shí)要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導(dǎo)，不能引起超過允許的溫升和壓降。
在實(shí)際應(yīng)用中，常有較大電流流過輸出端銅箔，如果輸出銅箔設(shè)計(jì)的過細(xì)，則會(huì)導(dǎo)致銅箔的溫度上升。印制電路板的材料、導(dǎo)電銅箔的厚度、容許溫升將影響到銅箔厚度應(yīng)該多寬、能承受多大電流。一般對(duì)1盎司的環(huán)氧玻璃板，如果允許溫升小于10℃(考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度可能超過70℃) ，則一般可按1A電流取1mm寬銅箔的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行銅箔設(shè)計(jì)。如假如流過的電流為5A，對(duì)1盎司的環(huán)氧玻璃板，其銅箔寬度可取5mm。實(shí)際可按照容許溫升的大小按照?qǐng)D4進(jìn)行選擇。
圖4 1盎司環(huán)氧玻璃板電流與銅箔寬度的關(guān)系圖,
需提醒的是，不同的基板材料生產(chǎn)廠家，不同的基板材料，則圖12顯示的電流與銅箔的關(guān)系是不相同的?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。
5.5.2 印制板的散熱
5.5.2.1 選用厚度大的印制線，以利于印制線的導(dǎo)熱和自然對(duì)流散熱。
5.5.2.2 減小元器件引線腿及元器件引線間的熱阻，增強(qiáng)元器件引線腿對(duì)印制線的熱傳導(dǎo)，增強(qiáng)導(dǎo)電性。
5.5.2.3 當(dāng)元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及元器件本身不足充分散熱，應(yīng)采用散熱網(wǎng)、匯流條器等措施。
5.5.2.4 若發(fā)熱密度非常高，則元器件應(yīng)安裝散熱器，在元器件和散熱材料之間應(yīng)涂抹導(dǎo)熱膏。
5.5.2.5 以上措施仍不能充分散熱時(shí)，就應(yīng)采用熱傳導(dǎo)性能好的印制板，如金屬基底印制板和陶瓷基底(高鋁陶瓷、氧化磚陶瓷、凍石陶瓷)印制板。
5.5.2.6 對(duì)塑封器件和SMD封裝的元器件，通過管腳散熱成為主要的散熱器途徑之一，其熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：
? 加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔，以加大PCB的散熱面積，如圖5所示
圖5: 改善管腳側(cè)散熱的措施之一散熱焊盤由過孔連接到內(nèi)層夾心層進(jìn)行散熱和熱平衡
圖6: 改善管腳側(cè)散熱的措施之二
5.5.2.7 PCB焊盤的隔熱設(shè)計(jì)
較大的焊盤及大面積銅皮對(duì)管腳的散熱十分有利，但在過波峰焊或回流焊時(shí)由于銅皮散熱太快，容易造成焊接不良，必須進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，常見的隔熱設(shè)計(jì)方法如圖7所示
圖7: 焊盤的隔熱設(shè)計(jì)
5.5.6 安裝PCB板的熱設(shè)計(jì)原則
5.5.6.1 自然冷卻條件下，對(duì)設(shè)備內(nèi)有多塊PCB板時(shí)，應(yīng)與進(jìn)風(fēng)方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應(yīng)大于30mm，以利于對(duì)流散熱；對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下，PCB板的間距可以適當(dāng)減小，但必須符合安規(guī)要求。
5.5.6.2 底板、隔熱板、屏蔽板、印制板的位置以不要阻礙或阻斷氣流為原則。
5.5.7 元器件結(jié)溫的計(jì)算
為保證元器件的安全散熱，需要校核元器件的結(jié)溫是否工作在安全溫度下，首先得獲得如下數(shù)據(jù)：元器件的耗散功率Q（額定值），結(jié)點(diǎn)（junction）的安全工作溫度范圍Tjmax（最大值和推薦值），結(jié)至冷卻空氣熱阻Rja，結(jié)至殼熱阻Rjc，結(jié)至板熱阻Rjb，封裝方式，散熱表面外形尺寸（以上參數(shù)一般在元器件供
應(yīng)商提供的用戶手冊(cè)中可以查到），PCB板的層數(shù)，流過元器件的空氣溫度和速度（由系統(tǒng)級(jí)估算獲得）,工作結(jié)溫按下式進(jìn)行計(jì)算：
5.5.7.1元器件背有散熱器
對(duì)于帶銅板封裝的大功率元器件(典型如TO－220/TO-247等)，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為TOP面)、管腳及銅板共3個(gè)渠道傳遞出來，由于結(jié)到環(huán)氧表面、結(jié)到管腳的熱阻較大，所以通過銅板的傳熱為主要的傳熱途徑，如果銅板所貼的散熱器熱阻足夠小且流過環(huán)氧表面的風(fēng)速小于1m/s，則通過其它兩種路徑的傳熱基本可以忽略，在已知散熱器臺(tái)面溫度Ts下 , 器件的工作結(jié)溫為：
Tj=Ts+ PT³Rth(j-s) ≤0.8Tjmax……………………………(4)
PT---元器件的熱損耗，W
Rth(j-s)----元器件結(jié)到散熱器表面的熱阻，℃/W
對(duì)于無(wú)銅板的塑封器件，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為TOP面)、管腳共2個(gè)渠道傳遞出來，元器件不僅通過表面對(duì)流散熱，還通過PCB板的導(dǎo)熱傳遞熱量。PCB的各層信號(hào)層、地層和電源層都鋪有大面積的銅，綜合的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，整個(gè)PCB板就象是一塊大的平板散熱器，具有熱量均勻化的作用。所以應(yīng)盡量減小結(jié)至板的熱阻，如BGA封裝有大量鋼珠直接和板接觸，熱阻比QFP的封裝方式小。一般較難計(jì)算散熱量在這兩條散熱路徑（表面對(duì)流與PCB導(dǎo)熱）上的分配比例，但經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)于BGA和QFP這樣的封裝，表面無(wú)散熱器時(shí)，PCB導(dǎo)熱量將占總發(fā)熱量的50%或以上，表面加散熱器時(shí)，表面熱阻大幅降低，則PCB導(dǎo)熱量將減小為很小一部分。
5.5.7.2 元器件無(wú)散熱器
如果已知結(jié)到環(huán)境的熱阻，環(huán)境溫度，則器件的工作結(jié)溫為：
Tj=Ta+ PT³Rth(j-a)
＝Ta+ PT³（Rth(j-c)＋Rth(c-a)）……(5)
如果沒有提供Rja，就需要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算芯片表面換熱系數(shù)，并根據(jù)器件的表面散熱量計(jì)算殼體溫升Rth(c-a)= 1/hA ……………(6)
式中A為表面換熱面積/m2，h為表面換熱系數(shù)/W/m2℃，用下式求出……………(7)式中b和m為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，D為特征尺寸，由表-2查出；為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)/W/m℃；Re為雷諾數(shù)。
表-2. 不同情況下的常數(shù)b和m
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