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芯片散熱的熱傳導(dǎo)計(jì)算(圖)

討論了表征熱傳導(dǎo)過程的各個(gè)物理量,并且通過實(shí)例,介紹了通過散熱過程的熱傳導(dǎo)計(jì)算來求得芯片實(shí)際工作溫度的方法

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,芯片的尺寸越來越小,同時(shí)運(yùn)算速度越來越快,發(fā)熱量也就越來越大,如英特爾處理器3.6G奔騰4終極版運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量最大可達(dá)115W,這就對(duì)芯片的散熱提出更高的要求.設(shè)計(jì)人員就必須采用先進(jìn)的散熱工藝和性能優(yōu)異的散熱材料來有效的帶走熱量,保證芯片在所能承受的最高溫度以內(nèi)正常工作.

如圖1所示,目前比較常用的一種散熱方式是使用散熱器,用導(dǎo)熱材料和工具將散熱器安裝于芯片上面,從而將芯片產(chǎn)生的熱量迅速排除.本文介紹了根據(jù)散熱器規(guī)格、芯片功率、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù),通過熱傳導(dǎo)計(jì)算來求得芯片工作溫度的方法.

芯片的散熱過程

由于散熱器底面與芯片表面之間會(huì)存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣.由于空氣是熱的不良導(dǎo)體,所以空氣間隙會(huì)嚴(yán)重影響散熱效率,使散熱器的性能大打折扣,甚至無法發(fā)揮作用.為了減小芯片和散熱器之間的空隙,增大接觸面積,必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充,如導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等.如圖2所示,芯片發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱材料傳遞給散熱器,再通過風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動(dòng)將絕大部分熱量通過對(duì)流(強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流)的方式帶走到周圍的空氣中,強(qiáng)制將熱量排除,這樣就形成了從芯片,然后通過散熱器和導(dǎo)熱材料,到周圍空氣的散熱通路.

表征熱傳導(dǎo)過程的物理量
在圖3的導(dǎo)熱模型中,達(dá)到熱平衡后,熱傳導(dǎo)遵循傅立葉傳熱定律:



Q=K·A·(T1-T2)/L         (1)

式中:Q為傳導(dǎo)熱量(W);K為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m℃);A 為傳熱面積(m2);L為導(dǎo)熱長(zhǎng)度(m).(T1-T2)為溫度差.

熱阻R表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動(dòng)的能力,表示為:

R=(T1-T2)/Q=L/K·A    (2)

對(duì)于單一均質(zhì)材料,材料的熱阻與材料的厚度成正比;對(duì)于非單一材料,總的趨勢(shì)是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大,但不是純粹的線形關(guān)系.

對(duì)于界面材料,用特定裝配條件下的熱阻抗來表征界面材料導(dǎo)熱性能的好壞更合適,熱阻抗定義為其導(dǎo)熱面積與接觸表面間的接觸熱阻的乘積,表示如下:    

Z=(T1-T2)/(Q/A)=R·A   (3)

表面平整度、緊固壓力、材料厚度和壓縮模量將對(duì)接觸熱阻產(chǎn)生影響,而這些因素又與實(shí)際應(yīng)用條件有關(guān),所以界面材料的熱阻抗也將取決于實(shí)際裝配條件.導(dǎo)熱系數(shù)指物體在單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生1℃的溫度差時(shí)所需要的熱功率,是衡量固體熱傳導(dǎo)效率的固有參數(shù),與材料的外在形態(tài)和熱傳導(dǎo)過程無關(guān),而熱阻和熱阻抗是衡量過程傳熱能力的物理量.

芯片工作溫度的計(jì)算

如圖4的熱傳導(dǎo)過程中,總熱阻R為:

R=R1+R2+R3               (4)

式中:R1為芯片的熱阻;R2為導(dǎo)熱材料的熱阻;R3為散熱器的熱阻.導(dǎo)熱材料的熱阻R2為:

R2=Z/A                   (5)

式中:Z為導(dǎo)熱材料的熱阻抗,A為傳熱面積.芯片的工作溫度T2為:

T2=T1+P×R             (6)

式中:T1為空氣溫度;P為芯片的發(fā)熱功率;R為熱傳導(dǎo)過程的總熱阻.芯片的熱阻和功率可以從芯片和散熱器的技術(shù)規(guī)格中獲得,散熱器的熱阻可以從散熱器的技術(shù)規(guī)格中得到,從而可以計(jì)算出芯片的工作溫度T2.

實(shí)例

下面通過一個(gè)實(shí)例來計(jì)算芯片的工作溫度.芯片的熱阻為1.75℃/W,功率為5W,最高工作溫度為90℃,散熱器熱阻為1.5℃/W,導(dǎo)熱材料的熱阻抗Z為5.8℃cm2/W,導(dǎo)熱材料的傳熱面積為5cm2,周圍環(huán)境溫度為50℃.導(dǎo)熱材料理論熱阻R4為:

R4=Z/A=5.8 (℃·cm2/W)/   5(cm2)=1.16℃/W              (7)

由于導(dǎo)熱材料同芯片和散熱器之間不可能達(dá)到100%的結(jié)合,會(huì)存在一些空氣間隙,因此導(dǎo)熱材料的實(shí)際熱阻要大于理論熱阻.假定導(dǎo)熱材料同芯片和散熱器之間的結(jié)合面積為總面積的60%,則實(shí)際熱阻R3為:

R3=R4/60%=1.93℃/W    (8)

總熱阻R為:

R=R1+R2+R3=5.18℃/W     (9)

芯片的工作溫度T2為:

T2=T1+P×R=50℃+(5W×   5.18℃/W)=75.9℃           (10)

可見,芯片的實(shí)際工作溫度75.9℃小于芯片的最高工作溫度90℃,處于安全工作狀態(tài).


如果芯片的實(shí)際工作溫度大于最高工作溫度,那就需要重新選擇散熱性能更好的散熱器,增加散熱面積,或者選擇導(dǎo)熱效果更優(yōu)異的導(dǎo)熱材料,提高整體散熱效果,從而保持芯片的實(shí)際工作溫度在允許范圍以內(nèi)(作者:方科 )
軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊是傳熱界面材料中的一種,具有良好的導(dǎo)熱能力和絕緣特性,其作用就是填充發(fā)熱功率器件與散熱器或機(jī)器外殼之間,是替代導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱膏加云母片(及相關(guān)絕緣材料)的二元散熱系統(tǒng)的最佳產(chǎn)品.
                                                  聯(lián)系人  戴雄
                                                  電  話  010-51658341  13801075548
                                                  電  郵   dzc04@163.com
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2005-12-29 19:58
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/36/1135857495.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
液體導(dǎo)熱膠
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6789
LV.6
3
2005-12-29 21:19
@硅膠王子
[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/36/1135857495.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">液體導(dǎo)熱膠
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/36/1135862373.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
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tired
LV.6
4
2005-12-29 21:43
講得比較基本,理論計(jì)算通常要留出一定的余量,文中理論講的太多了.
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xiangfei
LV.4
5
2006-01-04 13:15
@tired
講得比較基本,理論計(jì)算通常要留出一定的余量,文中理論講的太多了.
不錯(cuò),收藏了.
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2006-01-04 21:51
@xiangfei
不錯(cuò),收藏了.
很好!頂一下!
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LV.1
7
2006-01-17 11:52
@熟悉的陌生
很好!頂一下!
大家能否就借這個(gè)話題,積極討論一下散熱問題!
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2006-01-18 14:59
@
大家能否就借這個(gè)話題,積極討論一下散熱問題!
有A B兩種材料,導(dǎo)熱系數(shù)分別是1w/m℃k和2w/m℃k,厚度分別是1mm和2mm,如將兩材料疊加后該3mm的新材料導(dǎo)熱系數(shù)是多少呢?  500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/37/1137568196.gif');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
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liuxijun
LV.1
9
2006-01-19 09:25
@wodaixiong
有AB兩種材料,導(dǎo)熱系數(shù)分別是1w/m℃k和2w/m℃k,厚度分別是1mm和2mm,如將兩材料疊加后該3mm的新材料導(dǎo)熱系數(shù)是多少呢?  [圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/37/1137568196.gif');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">
這能計(jì)算出來嗎?
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wodaixiong
LV.5
10
2006-01-20 07:47
@liuxijun
這能計(jì)算出來嗎?
夸張的散熱鋁片!最重要的是用有效地利用導(dǎo)熱材料真正將芯片的溫度能引導(dǎo)到散熱鋁片上來,如果芯片與散熱鋁片之間有效面積不好,或是導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)不夠高,勢(shì)必影響整個(gè)散熱結(jié)果.

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/37/1137714420.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
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wodaixiong
LV.5
11
2006-01-20 17:33
@wodaixiong
夸張的散熱鋁片!最重要的是用有效地利用導(dǎo)熱材料真正將芯片的溫度能引導(dǎo)到散熱鋁片上來,如果芯片與散熱鋁片之間有效面積不好,或是導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)不夠高,勢(shì)必影響整個(gè)散熱結(jié)果.[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖,點(diǎn)擊可放大。\n按住CTRL,滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/37/1137714420.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">
PCB的熱設(shè)計(jì)

摘要:熱分析、熱設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施.基于熱設(shè)計(jì)的基本知識(shí),討論了
PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施.
關(guān)鍵詞:印制板;熱設(shè)計(jì);熱分析  

1、熱設(shè)計(jì)的重要性
  電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能,除了有用功外,大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā).電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量,使內(nèi)部溫度迅速上升,如果不及時(shí)將該熱量散發(fā),設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫,器件就會(huì)因過熱失效,電子設(shè)備的可靠性將下降.
  SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大,有效散熱面積減小,設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性,因此,對(duì)熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要.

2、印制電路板溫升因素分析
  引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在,電子器件均不同程度地存在功耗,發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化.
  印制板中溫升的2種現(xiàn)象:
  (1)局部溫升或大面積溫升;
  (2)短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升.
在分析PCB熱功耗時(shí),一般從以下幾個(gè)方面來分析.
2.1電氣功耗
  (1)分析單位面積上的功耗;
  (2)分析PCB板上功耗的分布.
2.2印制板的結(jié)構(gòu)
  (1)印制板的尺寸;
  (2)印制板的材料.
2.3印制板的安裝方式
  (1)安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);
  (2)密封情況和離機(jī)殼的距離.
2.4熱輻射
  (1)印制板表面的輻射系數(shù);
  (2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對(duì)溫度;
2.5熱傳導(dǎo)
  (1)安裝散熱器;
  (2)其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo).
2.6熱對(duì)流
  (1)自然對(duì)流;
  (2)強(qiáng)迫冷卻對(duì)流.
  從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑,往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴的,大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析,只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù).

3、熱設(shè)計(jì)原則
3.1選材
  (1)印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125 ℃(常用的典型值.根據(jù)選用的板材可能不同).由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量,影響工作溫度,選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素,熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125 ℃.盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔.
  (2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材.
  (3)采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì).
3.2保證散熱通道暢通
  (1)充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導(dǎo)出PCB.
  (2)散熱通孔的設(shè)置
設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔,可以有效地提高散熱面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度.如在LCCC器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔.在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充,使導(dǎo)熱能力提高,電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅泊散發(fā)掉.在一些特定情況下,專門設(shè)計(jì)和采用了有散熱層的電路板,散熱材料一般為銅/鉬等材料,如一些模塊電源上采用的印制板.
  (3)導(dǎo)熱材料的使用
為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料,提高熱傳導(dǎo)效率.
  (4)工藝方法
對(duì)一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫,為了改善散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料,再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度.使器件與印制板間的間隙增加,增加了對(duì)流散熱.
3.3元器件的排布要求
  (1)對(duì)PCB進(jìn)行軟件熱分析,對(duì)內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制;
  (2)可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)印制板上;
  (3)板面熱容量均勻分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如無法避免,則要把矮的元件放在氣流的上游,并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū);
  (4)使傳熱通路盡可能的短;
  (5)使傳熱橫截面盡可能的大;
  (6)元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響.對(duì)熱敏感的部件、元器件(含半導(dǎo)體器件)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x;
  (7)(液態(tài)介質(zhì))電容器的最好遠(yuǎn)離熱源;
  (8)注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致;
  (9)附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;
  (10)盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;
  (11)發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方,條件允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上;
  (12)熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣,只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上,并遠(yuǎn)離其他器件,并保證散熱通道通暢;
  (13)(小信號(hào)放大器外圍器件)盡量采用溫漂小的器件;
  (14)盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱.
3.4布線時(shí)的要求
  (1)板材選擇(合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu));
  (2)布線規(guī)則;
  (3)根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度;特別注意接合點(diǎn)處通道布線;
  (4)大電流線條盡量表面化;在不能滿足要求的條件下,可考慮采用匯流排;
  (5)要盡量降低接觸面的熱阻.為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積;接觸平面應(yīng)平整、光滑,必要時(shí)可涂
覆導(dǎo)熱硅脂;
  (6)熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條;
  (7)散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法,利用散熱阻焊適當(dāng)開窗;
  (8)視可能采用表面大面積銅箔;
  (9)對(duì)印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱;
  (10)盡可能多安放金屬化過孔, 且孔徑、盤面盡量大,依靠過孔幫助散熱;
  (11)器件散熱補(bǔ)充手段;
  (12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法;
  (13)根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax).

4、熱仿真(熱分析)
熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能,幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎?簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度,復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型.
  無論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼,熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性.在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的實(shí)際功耗很小,可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高,從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析,與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過低,也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行冷卻來解決.這些外接附件增加了成本,而且延長(zhǎng)了制造時(shí)間,在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素,因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱),以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作.
熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性,這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生,花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗,再進(jìn)行PCB熱分析,這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品.應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗,以免降低PCB設(shè)計(jì)效率.
4.1元件功耗計(jì)算
  準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過程,PCB設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率,熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中.設(shè)計(jì)人員先猜測(cè)一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值,并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中,計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入.在理想的情況下,該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?
  然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力,他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作.一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量.熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度,使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗,通過進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要作其他工作.
  一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格,包括正常工作的最高溫度.元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響,消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件,其工作最高溫度是85 ℃;而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件,工作最高溫度為125 ℃,額定最高溫度通常是105 ℃.PCB設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗.
  計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析,但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難.
  一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析.
PCB受到各種類型熱量的影響,可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括:
  前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流;
  前后表面發(fā)出的熱輻射;
  從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo);
  通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo);
  從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo);
2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo).
  目前有很多種形式的熱模擬工具,基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具,以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具.
4.2基本過程
  在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下,依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn),加速PCB熱設(shè)計(jì).
  在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過板級(jí)熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果,尋找設(shè)計(jì)缺陷,并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案.
  通過熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià);
  通過預(yù)估-設(shè)計(jì)-測(cè)量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程,修正并積累熱仿真模型,加快熱仿真速度,提高熱仿真精度;補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn).
4.3板級(jí)熱仿真
  板級(jí)熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等.目前可做板級(jí)熱分析比較典型的軟件有Flotherm,Betasoft等等.

原作者:杜麗華 蔡云枝

來源:中興通訊上海一所系統(tǒng)部
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liuxijun
LV.1
12
2006-01-21 16:08
@wodaixiong
PCB的熱設(shè)計(jì)摘要:熱分析、熱設(shè)計(jì)是提高印制板熱可靠性的重要措施.基于熱設(shè)計(jì)的基本知識(shí),討論了PCB設(shè)計(jì)中散熱方式的選擇、熱設(shè)計(jì)和熱分析的技術(shù)措施.關(guān)鍵詞:印制板;熱設(shè)計(jì);熱分析  1、熱設(shè)計(jì)的重要性  電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能,除了有用功外,大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā).電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量,使內(nèi)部溫度迅速上升,如果不及時(shí)將該熱量散發(fā),設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫,器件就會(huì)因過熱失效,電子設(shè)備的可靠性將下降.  SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大,有效散熱面積減小,設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性,因此,對(duì)熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要.2、印制電路板溫升因素分析  引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在,電子器件均不同程度地存在功耗,發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化.  印制板中溫升的2種現(xiàn)象:  (1)局部溫升或大面積溫升;  (2)短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升.在分析PCB熱功耗時(shí),一般從以下幾個(gè)方面來分析.2.1電氣功耗  (1)分析單位面積上的功耗;  (2)分析PCB板上功耗的分布.2.2印制板的結(jié)構(gòu)  (1)印制板的尺寸;  (2)印制板的材料.2.3印制板的安裝方式  (1)安裝方式(如垂直安裝,水平安裝);  (2)密封情況和離機(jī)殼的距離.2.4熱輻射  (1)印制板表面的輻射系數(shù);  (2)印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的絕對(duì)溫度;2.5熱傳導(dǎo)  (1)安裝散熱器;  (2)其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo).2.6熱對(duì)流  (1)自然對(duì)流;  (2)強(qiáng)迫冷卻對(duì)流.  從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑,往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴的,大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析,只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù).3、熱設(shè)計(jì)原則3.1選材  (1)印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125℃(常用的典型值.根據(jù)選用的板材可能不同).由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量,影響工作溫度,選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素,熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125℃.盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔.  (2)特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材.  (3)采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì).3.2保證散熱通道暢通  (1)充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導(dǎo)出PCB.  (2)散熱通孔的設(shè)置設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔,可以有效地提高散熱面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度.如在LCCC器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔.在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充,使導(dǎo)熱能力提高,電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅泊散發(fā)掉.在一些特定情況下,專門設(shè)計(jì)和采用了有散熱層的電路板,散熱材料一般為銅/鉬等材料,如一些模塊電源上采用的印制板.  (3)導(dǎo)熱材料的使用為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻,在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料,提高熱傳導(dǎo)效率.  (4)工藝方法對(duì)一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫,為了改善散熱條件,可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料,再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度.使器件與印制板間的間隙增加,增加了對(duì)流散熱.3.3元器件的排布要求  (1)對(duì)PCB進(jìn)行軟件熱分析,對(duì)內(nèi)部最高溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制;  (2)可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)印制板上;  (3)板面熱容量均勻分布,注意不要把大功耗器件集中布放,如無法避免,則要把矮的元件放在氣流的上游,并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū);  (4)使傳熱通路盡可能的短;  (5)使傳熱橫截面盡可能的大;  (6)元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響.對(duì)熱敏感的部件、元器件(含半導(dǎo)體器件)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x;  (7)(液態(tài)介質(zhì))電容器的最好遠(yuǎn)離熱源;  (8)注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致;  (9)附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致;  (10)盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離;  (11)發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方,條件允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上;  (12)熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣,只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上,并遠(yuǎn)離其他器件,并保證散熱通道通暢;  (13)(小信號(hào)放大器外圍器件)盡量采用溫漂小的器件;  (14)盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱.3.4布線時(shí)的要求  (1)板材選擇(合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu));  (2)布線規(guī)則;  (3)根據(jù)器件電流密度規(guī)劃最小通道寬度;特別注意接合點(diǎn)處通道布線;  (4)大電流線條盡量表面化;在不能滿足要求的條件下,可考慮采用匯流排;  (5)要盡量降低接觸面的熱阻.為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積;接觸平面應(yīng)平整、光滑,必要時(shí)可涂覆導(dǎo)熱硅脂;  (6)熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條;  (7)散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法,利用散熱阻焊適當(dāng)開窗;  (8)視可能采用表面大面積銅箔;  (9)對(duì)印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱;  (10)盡可能多安放金屬化過孔,且孔徑、盤面盡量大,依靠過孔幫助散熱;  (11)器件散熱補(bǔ)充手段;  (12)采用表面大面積銅箔可保證的情況下,出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法;  (13)根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許最大結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積(保證原則tj≤(0.5~0.8)tjmax).4、熱仿真(熱分析)熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能,幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎?簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度,復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型.  無論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼,熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性.在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的實(shí)際功耗很小,可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高,從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析,與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過低,也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)的要高,此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行冷卻來解決.這些外接附件增加了成本,而且延長(zhǎng)了制造時(shí)間,在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素,因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式(如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱),以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作.熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性,這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生,花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗,再進(jìn)行PCB熱分析,這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品.應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗,以免降低PCB設(shè)計(jì)效率.4.1元件功耗計(jì)算  準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過程,PCB設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率,熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中.設(shè)計(jì)人員先猜測(cè)一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值,并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中,計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度,第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗,算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入.在理想的情況下,該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?  然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力,他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作.一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗,將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量.熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度,使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗,通過進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要作其他工作.  一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格,包括正常工作的最高溫度.元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響,消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件,其工作最高溫度是85℃;而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件,工作最高溫度為125℃,額定最高溫度通常是105℃.PCB設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗.  計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析,但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難.  一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析.PCB受到各種類型熱量的影響,可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括:  前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流;  前后表面發(fā)出的熱輻射;  從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo);  通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo);  從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo);2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo).  目前有很多種形式的熱模擬工具,基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具,以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具.4.2基本過程  在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下,依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn),加速PCB熱設(shè)計(jì).  在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過板級(jí)熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果,尋找設(shè)計(jì)缺陷,并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案.  通過熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià);  通過預(yù)估-設(shè)計(jì)-測(cè)量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程,修正并積累熱仿真模型,加快熱仿真速度,提高熱仿真精度;補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn).4.3板級(jí)熱仿真  板級(jí)熱仿真軟件可以在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬PCB的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等.目前可做板級(jí)熱分析比較典型的軟件有Flotherm,Betasoft等等.原作者:杜麗華蔡云枝來源:中興通訊上海一所系統(tǒng)部
辛苦了!頂一下.
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換口氣
LV.5
13
2006-01-21 16:24
@liuxijun
辛苦了!頂一下.
d
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wodaixiong
LV.5
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2006-01-23 08:32
@換口氣
d
在這最后的雞要飛去,狗要跳來的一個(gè)星期里,(是的,這時(shí)不能說那句成語,哈哈!)請(qǐng)大家注意安全,祝你春節(jié)快樂!合家歡樂,身體健康!                
    
                                                   傲川公司  戴雄
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LV.1
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2006-02-08 09:23
@wodaixiong
在這最后的雞要飛去,狗要跳來的一個(gè)星期里,(是的,這時(shí)不能說那句成語,哈哈!)請(qǐng)大家注意安全,祝你春節(jié)快樂!合家歡樂,身體健康!                                                                      傲川公司  戴雄
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liujij
LV.5
16
2006-02-08 22:07
請(qǐng)問導(dǎo)熱絕緣橡膠墊和傳統(tǒng)的云母片比那個(gè)導(dǎo)熱能力強(qiáng)?
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wodaixiong
LV.5
17
2006-02-09 10:13
@liujij
請(qǐng)問導(dǎo)熱絕緣橡膠墊和傳統(tǒng)的云母片比那個(gè)導(dǎo)熱能力強(qiáng)?
liujij,你好!解釋一下我們生產(chǎn)的產(chǎn)品是軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊,不是橡膠的.
  單從導(dǎo)熱系數(shù)看,軟性導(dǎo)熱硅膠墊高出五到六倍,所以你問到導(dǎo)熱能力一定是軟性導(dǎo)熱硅膠墊強(qiáng).但傳統(tǒng)的云母片的有著比軟性硅膠導(dǎo)熱材料更好的絕緣性能和耐熱性能,價(jià)格也有優(yōu)勢(shì).缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度差(質(zhì)脆易損),常要配合導(dǎo)熱硅脂使用.應(yīng)說各有各的作用嗎!在這就一齊說說與導(dǎo)熱硅脂的比較吧!
1. 導(dǎo)熱系數(shù):導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)高于軟性導(dǎo)熱硅膠墊,分別是4.0-5.5w/m.k和1.75-2.75w/m.k
2. 絕緣: 導(dǎo)熱硅脂因添加了金屬粉絕緣差,軟性導(dǎo)熱硅膠墊絕緣性能好.1mm厚度電氣絕緣指數(shù)在3000伏以上.
3. 形態(tài):導(dǎo)熱硅脂為凝膏狀 ,軟性導(dǎo)熱硅膠墊為片材.
4. 使用:導(dǎo)熱硅脂需用心涂抹均勻,易臟污周圍器件及引起短路;軟性導(dǎo)熱硅膠墊可任意裁切,撕去保護(hù)膜直接貼用,公差很小,干凈.
5. 厚度:作為填充縫隙導(dǎo)熱材料,導(dǎo)熱硅脂受限制,軟性導(dǎo)熱硅膠墊厚度從0.5-5mm不等,應(yīng)用范圍教廣.
6. 導(dǎo)熱效果:導(dǎo)熱硅脂顆粒教大,易老化.導(dǎo)熱效果一般;軟性導(dǎo)熱硅膠墊因柔軟富有彈性,能大大增加發(fā)熱體與散熱片間的導(dǎo)熱面積,加工工藝精細(xì)復(fù)雜,該產(chǎn)品穩(wěn)定性能強(qiáng).
7.價(jià)格:導(dǎo)熱硅脂已普遍使用,價(jià)格較低.軟性導(dǎo)熱硅膠墊多應(yīng)用在筆記本電腦等薄小精密的電子產(chǎn)品中,價(jià)格稍高.
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