CN108650778B - 一种pcb散热方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PCB散热方法及装置，用于增强PCB上的发热器件的散热能力，提高电路板的环境适应性。该方法通过使用一种热连接元件,将PCB上不同电气网络的元器件连接在一起，使不同电气网络的元器件共用一个散热网络，降低了单个元器件对环境的热阻，从而使PCB上的热分布更加均匀，热点温度降低，可以使用在更高的环境温度中。

Description

一种PCB散热方法及装置
技术领域
本发明涉及PCB的散热技术领域，尤其涉及一种通过热连接元件连接PCB表层各孤立铜箔降低PCB热点温度的方法及装置。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子产品集成度越来越高，电路板的设计越来越紧凑，单位面积的PCB上的器件功能和数量越来越多，PCB的散热处理面临越来越大的挑战。尤其对于安装有功率器件的PCB，散热能力直接影响产品整体的最大工作环境温度。目前，传统的PCB散热技术主要有：(1)在发热器件上安装散热片或散热器，依靠散热片或散热器来增强散热能力。这种散热方法一般针对发热较严重的器件，散热效果好，但需占用额外的空间较多，成本较高。(2)采用高热导率的PCB板材，如铝基板、氮化铝陶瓷基板等。这种散热方法适合元器件数量较少的功率电子产品，对于线路复杂的电路板不适用，且高热导率板材的成本比传统的PCB板材要高出几倍。(3)其他特殊结构PCB，如专利CN 107734837中所述的内嵌金属块的散热型PCB和专利CN 104135818中所述的内嵌褶皱散热层的散热型PCB等。这些散热结构通常针对性强，适用范围较窄，制造工艺较复杂，成本较高。
总之，传统散热技术均是通过辅助散热材料散热，散热能力取决于所采用的辅助散热材料的热导率和散热面积。为了获得更好的散热能力，就需要使用更多的辅助散热材料，空间和成本也会随之增加。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种PC散热方法及装置，能够增强PCB上各器件的环境热阻，使温度分布更加均匀，降低PCB热点温度，提高电路板整体的工作环境温度。
为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：
一种PCB散热方法，采用热连接元件连接PCB上各个孤立的表层铜箔，充分利用PCB表层铜箔散热，降低单个器件的环境热阻，PCB整体温度分布更加均匀，降低热点温度。
所述热连接元件包括一种高热导率绝缘基板(即具有与铜同等数量级导热系数的陶瓷基板)，基板两端镀有可焊接金属层，基板上的两个可焊接金属层之间绝缘。所述金属为铜、锡或金。所述热连接元件可作为一种电子器件焊接在PCB上，每个热连接元件可连接两个属于不同电气网络的表层孤立铜箔，通过若干个热连接元件可以将PCB上各个不同电气网络的表层孤立铜箔均连接在一起，连接后的各孤立铜箔在电气方面仍保持相互绝缘，在热传递方面则形成一整块PCB表层铜箔散热片，为连接进入的各个发热器件提供散热路径。
所述热连接元件按照贴片电阻器的封装标准制成标准封装尺寸的元器件，方便批量生产和焊接使用；所述标准尺寸为0402、0603、0805(in)。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用热连接元件将PCB表层各孤立铜箔连接起来构成有效散热片，无需外部增加散热器或者散热材料即可实现有效的散热，使温度分布更加均匀，降低PCB热点温度提高产品整体的工作环境温度。
(2)热连接元件根据铜箔间隙选择尺寸，占用空间非常小，可以像普通贴片电阻或者电容器件一样手工或者采用焊接机器进行标准焊接，安装十分方便，且成本十分低廉。
附图说明
图1未安装热连接元件的PCB示意图；
图2安装有热连接元件的PCB示意图；
图3热连接元件结构示意图；
图4未采用PCB散热方法的电路板红外热像图；
图5采用PCB散热方法的电路板红外热像图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图2所示为本发明PCB散热方法的实施例。如图2所示，本发明PCB散热方法包括PCB板1，表层铜箔2，表层铜箔3，热源器件4，热连接元件5。
PCB板1由基板和铜箔组成。基板具有良好的电气绝缘性能，用于承载电子元器件。铜箔具有良好的导电性能，用于电子元器件间的电气连接。所述PCB板可以是单层PCB板，也可以是多层PCB板。对于单层PCB板，铜箔均位于PCB板的表层。对于多层PCB板，铜箔可以位于PCB板的内层，也可以位于PCB板的表层。位于PCB表层的铜箔与空气直接接触，具有良好的散热性能，可以用于电子元器件的散热。
表层铜箔2和表层铜箔3为PCB板1上相邻的两个具有不同电气网络的孤立铜箔，两块铜箔之间相距一定的电气间隙以满足电气绝缘。由于PCB基板的热导率相对铜箔非常低(例如常用的FR4基板的导热系数仅为0.23W/mK，而铜的导热系数约为400W/mK)，表层铜箔2与表层铜箔3之间的电气间隙在形成电气隔离的同时，也形成了两块铜箔之间的热隔离，使得两块铜箔之间不能相互有效地传递热量。
热源器件4为焊接在PCB板1上的电子器件，与表层铜箔2具有电气连接。当热源器件4处于工作状态时，由于电功率产生热量，成为PCB板1上的热源。尤其对于功率电子器件，工作状态时会产生大量的热量，必须设计足够的散热面积为电子元器件提供散热途径，使电子元器件与环境的热阻足够小，进而使电子元器件在工作状态时相对环境的温升被控制在一定范围内以保证电子元器件的工作温度不超过电子元器件能承受的极限值，否则电子元器件就会由于工作状态时温度过高而损坏。
热连接元件5由导热基板8，第一金属焊盘9和第二金属焊盘10组成，如图3所示。导热基板8的导热系数远大于传统PCB基板，具有良好的导热性能，并且具有良好的绝缘性能。所述导热基板可以采用氮化铝陶瓷基板(导热系数约为180W/mK)。第一金属焊盘9和第二金属焊盘10分别位于导热基板8的两端，具有良好的可焊接性，用于将热连接元件牢固地焊接至PCB板上的表层铜箔。所述金属焊盘可以使用金属铜通过电镀或者溅射的方法在导热基板的两端表面形成，两个金属焊盘之间相距一定的间隙以满足电气绝缘要求。
本发明实施例中热连接元件可以按照贴片电阻或电容的封装尺寸标准制成0402、0603、0805等标准封装尺寸的元件，进而可以按照焊接普通电子元器件的方法通过SMT自动贴片机或者手工将所述热连接元件方便地焊接至PCB板上。
图1中所示为未采用所述PCB散热方法的电路板，热源器件4工作状态时产生热量，热量通过热源器件4自身以及表层铜箔2传递到环境中去。由于热源器件4自身的散热面积很小，表层铜箔2的面积也很有限，导致热源器件4与环境之间的热阻较大，器件温升较高。为了保证器件不因过温而损坏，只能严格控制环境温度使器件的热点温度不超过限制值，从而导致整个电路板的工作环境温度受到限制。
图2中所示为采用所述PCB散热方法的电路板，与图1中所示不同的是，采用了热连接元件5将表层铜箔2与表层铜箔3连接在一起。由于热连接元件5具有良好的导热性能，因此表层铜箔2与表层铜箔3之间可以相互有效地传递热量。热源器件4工作状态时产生的热量可以通过表层铜箔2和表层铜箔3共同传递到环境中去，由于散热面积的增加，器件与环境的热阻有效降低，器件温升降低，从而可以提高工作环境温度的限制值，使电路板可以工作在更高的环境温度中。
普遍情况下，PCB板上包含有多块孤立的表层铜箔以及多个与表层铜箔电气连接的热源器件，采用本实施例中描述的PCB散热方法，通过多个热连接元件将孤立的相邻表层铜箔连接在一起，可以有效地降低每个热源器件的环境热阻，降低电路板的热点温度，提高电路板的工作环境温度。如图4和图5所示为实际电路板的热测试，图4中所示为未采用所述PCB散热方法的电路板，工作状态下经红外热像仪测量电路板热点温度67.6℃，图5中所示为采用所述PCB散热方法的电路板，同样的工作状态下经红外热像仪测量电路板热点温度62.5℃，有效降低了5.1℃的温升。
综上所述，本发明实施例的PCB散热方法，采用热连接元件5连接PCB板1上的表层铜箔2和表层铜箔3降低热源器件4与环境之间的热阻，从而降低热点温度提高电路板的工作环境温度。
以上虽然描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种PCB散热方法，其特征在于：采用热连接元件连接PCB上各个孤立的表层铜箔，使PCB上的各个器件共享PCB表层铜箔散热，从而使PCB热分布更均匀，降低热点温度，提高PCB整体的环境适应性；
所述热连接元件包含具有与铜同等数量级导热系数的陶瓷基板和位于所述基板两端的镀有铜、锡或金的具有良好可焊接性材料的金属焊盘；
所述热连接元件按照贴片电阻器的封装标准制成标准封装尺寸的元器件，方便批量生产和焊接使用；
所述热连接元件根据铜箔间隙选择尺寸。
2.一种PCB散热装置，其特征在于：包括PCB表层铜箔和热连接元件，PCB表层铜箔相互间使用一个或多个热连接元件连接；所述热连接元件包括一种高热导率绝缘基板，即具有与铜同等数量级导热系数的陶瓷基板，基板两端镀有可焊接金属层，基板上的两个可焊接金属层之间绝缘；所述热连接元件作为一种电子器件焊接在PCB上，每个热连接元件可连接两个属于不同电气网络的表层孤立铜箔，通过若干个热连接元件将PCB上各个不同电气网络的表层孤立铜箔均连接在一起，连接后的各孤立铜箔在电气方面仍保持相互绝缘，在热传递方面则形成一整块PCB表层铜箔散热片，为连接进入的各个发热器件提供散热路径。
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