CN101221588B - 一种pcb设计中的散热设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PCB设计中的散热设计方法，包括：步骤一、分析并确定拟设计的PCB中会产生大量热损耗的元器件及其封装选型；确定PCB上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热损耗的功耗；步骤二、分析元器件与PCB焊接接触方式、PCB的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式；步骤三、建立模型以模拟PCB的散热状况并分析各种散热方式；步骤四、根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使芯片在所述PCB上工作时能保持正常工作温度。本发明方法通过建立一个简单的模型，改进了对PCB的设计，使元件散发出来的热量，尽可能快的均匀到达PCB表面，使PCB在不依赖外部散热器的情况下较好的散热，保持工作的稳定。

Description

一种PCB设计中的散热设计方法 
技术领域
本发明涉及PCB(印刷电路板)设计领域，特别涉及到一种PCB设计中的散热设计方法，可应用于硬件电路中的PCB设计。 
背景技术
通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。而在传统的散热设计中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器表面，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。然而当前电子设计正朝着小型化，便携式方向发展。特别在便携式电子产品中，由于电子产品的体积结构限制，使得传统的利用散热片，利用散热风扇的方法已无法在产品中实现。而另一方面，由于IC设计的发展和消费者的要求的提高，在便携式设备中CPU的主频越来越高，电源需求也越来越高，这导致了散热问题成了约束便携式产品发展的一个瓶颈，一定程度上限制了便携式产品的发展。同时，处理不好散热问题，会对整个单板上的硬件电路造成不稳定或毁坏的可能。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种PCB设计中的散热设计方法，在不依赖外加散热片、散热风扇等传统散热装置的前提下，尽可能的将PCB本身的散热问题处理好。 
为解决上述技术问题，本发明方法包括：步骤一、分析并确定拟设计的PCB中会产生大量热损耗的元器件，分析所述元器件的封装选型并确定封装热阻；确定PCB上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热损耗的功耗；步骤二、分析元器件与PCB焊接接触方式、PCB的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式，确定相应的热阻；步骤三、将热阻看作电阻，功耗看作电流，芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差看作在电阻上的压降，建立一个电阻网络模型以模拟所述PCB的散热状况，并用电路仿真工具来进行仿真计算；步骤四、根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使芯片在所述PCB上工作时能保持正常工作温度。上述芯片正常工作温度指芯片在空气隔离环境下正常工作的最高温度，芯片最高极限温度和芯片热损耗的功耗由芯片厂家给出；上述步骤三建立模型指：以一个电阻网络模拟热阻网络，并用任意的电路仿真工具来进行仿真计算。上述步骤四中根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构为：根据模拟电阻网络计算电阻值对于整个网络上压差的影响，其值即热阻值，由该热阻值确定需要的设计方式，通过铜箔铺设、工艺要求、层叠结构获得需要的热阻。 
本发明方法通过建立一个简单的模型，改进了对PCB的设计，使元件散发出来的热量，尽可能快的均匀到达PCB表面，使PCB在不依赖外部散热器的情况下较好的散热，保持工作的稳定。 
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图； 
图2是一个常见PCB的结构示意图； 
图3是对图2中PCB建立的模型结构示意图； 
图4是本发明一个具体实施例中的模型计算； 
图5是图4的模型改善效果示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明方法作进一步详细的说明。 
如图1所示，本发明方法主要是由以下几个方面组成的： 
A、分析一个PCB设计上会产生大量热损耗的元器件；确定PCB上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热损耗的功耗； 
B、分析这些元器件与PCB焊接接触方式，以及PCB的层叠结构和制作材料，这些因素导致的各种热导方式，由以上种种建立一个简单的模型来模拟PCB散热状况； 
C、根据散热模型在PCB上设计最好的热传导方式，使芯片在PCB上的保持一定的温差以满足芯片的最高工作温度； 
在步骤A所要做的就是分析在电路设计中大功耗的器件，这类器件将在PCB产生大量的热损耗，类似于CPU芯片，电源芯片，一些模数混合的编解码芯片等等。 
在步骤A中，还包括了对这些电路芯片的封装选型，不同的封装对于在PCB设计时的影响是差异很大的。通常目前的一些涉及到大功率的芯片设计，封装通常会有散热焊盘(Power PAD)的设计。相对于芯片而言， 通常会有一个关于封装热阻的概念，这个热阻由芯片的封装形式来决定，其决定了该芯片在封装上的散热良好性。同时，芯片的通常有一个在隔离空气环境下的工作温度和最大极限点温度，通常情况下，我们需要让芯片正常工作就需要使芯片的工作温度等于最大极限温度减去芯片封装上的温差和PCB上的温差之和。 
步骤B中需要分析这些元器件和PCB的焊接接触方式，以及PCB的层叠结构和制作材料。 
图2是一个常见PCB的结构示意图，如图2所示：芯片同PCB连接处主要是两个传导通路：1.芯片引脚和PCB的表层铜箔连接，2.芯片的散热片同PCB上散热焊盘连接。而与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最基本的公式：温差＝热阻×功耗(公式1)，其中热阻＝L/(K×W×t)，L为路径长度，K为材料热导因子，W为路径宽度，t为材料厚度(公式2)。在PCB中，常用到的材料的热导因子如下所示(单位W/(in℃))：空气0.0007，铝4.44，铜9，FR4(FlameResistant 4)0.0064，Solder(焊锡)63/671；当芯片功耗在PCB上遇到的热阻越小，就说明它的散热路径效果越好越快。在PCB上，热量传输主要有3个传导路径：水平方向传输，其热阻可由公式2求得；垂直方向传输，同样可由公式2求得；通过散热过孔传输，过孔的热阻可由热阻＝L/(K×AS)(公式3)求得；AS为过孔的孔环面积；在PCB的表面，通过空气对流来进行散热，可以有这样的公式：温差ΔT＝P/(h×A)，其中P为功耗，h为对流热因子，A为表面面积；空气的对流热因子h＝0.0075W/(in2℃)(在没有空气流动的情况下)，其热阻＝1/(h×A)。 
步骤C中，通过步骤B的分析，对于大功耗芯片要在电路板上满足散热要求，首先要考虑在传导路径上不同介质层面的连接热阻尽可能的小，利于传热，同时在同层面的传热介质上使得温差足够的大，满足将芯片功耗转化消耗在同层热阻上，而保证电路板的整体温度保持在一定水平。 
这里可使用一个简易的模型来建构PCB板上的热设计： 
由于散热计算的公式和欧姆公式比较类似，可以用一个电阻网络来构建一个PCB上的散热模型，将热阻看作电阻，功耗看作电流，温差看作在电阻上的压降，于是就可以用一个电阻网络来模拟表示PCB的散热设计，其中芯片要散去的功耗就用一个电流源来代替，因而可以用一个电路分析软件来构建这样一个电路网络，如图3所示，通过分析在这个电路上的各个节点上的电压，也即是温差，即可来进行散热设计。当然，必须指出，电路板环境是个比较复杂的环境，构建这个简单模型的时候，本发明只考虑散热的作用较大的一些因素而忽略一些作用不明显的因素。有了这个模拟的模型，就可以较准确的计算出在一个电路板上，对于一个芯片，需要多大的散热面积和怎样的散热路径来满足芯片的工作温度。通过调节电阻网络的值来设计PCB板上的走线方式，铜箔铺设，工艺要求，层叠结构等各方面的要求。 
具体实现PCB设计时要注意以下几点：1.在芯片和电路板的主要热量传递接触面上，用尽可能厚的表层铜箔来接触；2.在接触铜箔上使用过孔阵列，使用过孔阵列的优点在于其热阻远小于板间FR4材料的垂直热阻，更利于热量传输，过孔的孔径和盘面尽可能大；3.计算芯片功耗和温差之间的关系，通过其需要的热阻，在电路板内层和底层上同样铺设足够厚度 的大面积铜箔，其面积可由公式1和公式2求的；4.在这些铜箔上尽可能多放连接过孔，均衡各个平面层上的热量；5.表层和底层尽可能大面积的铺设连接的铜箔，这样同时利用空气自然对流来散热 
下面结合具体实施例进一步来讲述本发明方法。 
该实施例中PCB为2层，铜厚1oz，板厚1.5mm(0.060inch)，使用FR4材料，芯片的最大极限点温度为125℃，最高工作温度为85℃，随温度升高功耗损失为0.0025W/℃。 
设计过孔内径0.4mm(0.016inch)，外径0.8mm(0.032inch)，芯片与电路板接触面为一个0.25in2的正方形铜箔，在铜箔上有4个过孔与反面铜箔相连接，板子上铜箔大小是以这个正方形为中心的一个半径为0.5inch的圆，芯片功耗为1W，则可以看到图4的模型计算，其电路压降为54.99V，也就是说芯片温度与环境温度温差为55℃左右。由公式1可知将板上铜箔大小扩大为半径1inch的圆，如图5所示，这样温差就减小到了36℃。满足芯片的要求。根据电阻网络还可以分析出，当加厚铜箔，也就是说使横列电阻值变小时同样可以减小温差，或者是扩大层叠结构，在内层上有大面积的铜箔连接散热，同样可以使温差减小。该实施例表明本发明方法通过建立一个简单的模型，在设计上对电路板上元件焊盘以及散热焊盘进行处理，通过大面积厚铜和过孔连接，将由元件散发出来的热量尽快的通过热阻较小的传导通路均匀到达PCB表面，使PCB在不依赖外部散热器的情况下，PCB上的发热元器件达到一个较好的散热，保持工作的稳定。 

Claims (4)

1.一种PCB设计中的散热设计方法，其特征在于，包括，
步骤一、分析并确定拟设计的PCB中会产生大量热损耗的元器件，分析所述元器件的封装选型并确定封装热阻，所述元器件为CPU芯片或电源芯片或模数混合的编解码芯片；确定所述PCB上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及所述芯片在PCB上需要的热损耗的功耗；
步骤二、分析所述元器件与所述PCB焊接接触方式、所述PCB的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式，确定相应的热阻；
步骤三、将热阻看作电阻，功耗看作电流，芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差看作在电阻上的压降，建立一个电阻网络模型以模拟所述PCB的散热状况，并用电路仿真工具来进行仿真计算；
步骤四、根据所述模型计算结果设计所述PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使所述芯片在所述PCB上工作时能保持正常工作温度。
2.根据权利要求1所述的PCB设计中的散热设计方法，其特征在于，所述步骤一中：芯片正常工作温度指芯片在空气隔离环境下正常工作的最高温度，芯片最高极限温度和芯片热损耗的功耗由芯片厂家给出。
3.根据权利要求1所述的PCB设计中的散热设计方法，其特征在于，所述步骤四中根据所述模型计算结果设计所述PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构为：根据所述模拟电阻网络计算电阻值对于整个网络上压差的影响，其值即热阻值，由该热阻值确定需要的设计方式，通过铜箔铺设、工艺要求、层叠结构获得需要的热阻。
4.根据权利要求1或3所述的PCB设计中的散热设计方法，其特征在于，所述电路仿真工具为任意的。
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