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        為什么PCB要考慮熱設計?

        2023/11/1 9:57:17??????點擊:
             一、基礎知識

            100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24℃。這并不是通過升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來。
            能量既不會憑空消失,也絕不會憑空產生。這就是最重要“能量守恒定律”。

            ℃是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據能量的多少表現出來的一種現象。即使能量相同,如果集中在一個狹窄的空間內,溫度就會升高,而大范圍分散時,溫度就會降低。

            電子產品接通電源后一段時間內,多半轉換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度,而排出的能量僅為少數。之后,裝置溫度升高一定程度時,輸入的能量與排出的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。



            熱量的傳遞有導熱,對流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設備散熱過程中,這三種方式都有發生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下
            公式計算如下:

            其中,λ、α 、ε分別為導熱系數,對流換熱系數及表面的發射率,A是換熱面積。


            熱設計的目的:


            采用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度,使其所處的工作環境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度,以保證產品正常運行的安全性,長期運行的可靠性。
            耗散的熱量決定了溫升,因此也決定了給定器件的溫度;熱量以導熱,對流及輻射傳遞出去,每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比;熱量、熱阻和溫度是設計中的重要參數。
            溫升:元器件溫度與環境溫度的差。
            熱耗:元器件正常運行時產生的熱量,熱耗不等同于功耗。
            熱流密度:單位面積上的傳熱量,單位W/m。l熱阻:熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質或介質間的傳熱能力大小。
            Rja,元器件的熱源結構(junction)到周圍冷卻空氣(ambient)的總熱阻。
            Rjc,元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻。

            Rjb,元器件的結與PCB板間的熱阻。


            常見的散熱方式:


           .  自然對流換熱


            通過自然對流的方式冷卻,不必使用風扇,主要通過空氣受熱膨脹產生的浮升力使空氣不斷流過發熱表面,實現散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備,成本低。


          .   強迫對流換熱-風扇冷卻


            主要有吹風與抽風兩種方式,那么,為什么要關注“熱設計”?
            器件極限溫度承受能力是高壓線,超過后失效率劇增,使用中不允許超過。在極限溫度以內,器件失效率與溫度仍然強相關,失效率隨著溫度升高而增加。
            是否存在一個安全溫度點,只要不超過這個溫度點,失效率與溫度就不密切?
            理論與實際表明,多數情況下不存在這樣的溫度點。

            1、熱量傳遞的三種基本方式
            導熱:
            物體各部分之間不發生相對位移時,依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量稱為導熱。例如,固體內部的熱量傳遞和不同固體通過接觸面的熱量傳遞都是導熱現象。芯片向殼體外部傳遞熱量主要就是通過導熱。

            導熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算:
            傅立葉定律是法國著名科學家傅立葉在1822年提出的一條熱力學定律。該定律指在導熱過程中,單位時間內通過給定截面的導熱量,正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。
            傅立葉定律是熱傳導的基礎。它并不是由熱力學第一定律導出的數學表達式,而是基于實驗結果的歸納總結,是一個經驗公式。同時,傅立葉定律是定義材料的一個關鍵物性,熱導率的一個表達式。
            另外,如上所述,傅立葉定律是一個向量表達式。熱流密度是垂直于等溫面的,并且是沿著溫度降低的方向。傅立葉定律適用于所有物質,不管它處于什么狀態(固體、液體或者氣體)。

            一般來說,固體的導熱系數大于液體,液體的大于氣體。例如:常溫下純銅的導熱系數高達400 W/(m*℃) ,純鋁的導熱系數為236W/(m*℃),水的導熱系數為0.6     W/(m*℃),而空氣僅為0.025W/(m*℃)左右。鋁的導熱系數高且密度低,所以散熱器基本都采用鋁合金加工,但在一些大功率芯片散熱中,為了提升散熱性能,常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。
            對流換熱:
            對流換熱是指運動著的流體流經溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發生的熱量交換過程,這是通信設備散熱中中應用最廣的一種換熱方式。根據流動的起因不同,對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。
            前者是由于泵、風機或其他外部動力源所造成的;而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場,由此產生的浮升力成為運動的動力。機柜中通常采用的風扇冷卻散熱,就是最典型的強制對流換熱。在終端產品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流(例如終端外殼和外界空氣間的換熱)和有限空間自然對流(例如終端內的單板和終端內的空氣)。
            值得注意的是,當終端外殼與單板的距離小于一定值時,就無法形成自然對流,例如手機的單板與外殼之間就只是以空氣為介質的熱傳導。
            對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算如下:


            熱輻射:
            塑料外殼表面噴漆,PWB表面會涂敷綠油,表面黑度都可以達到0.8,這些都有利于輻射散熱。對于金屬外殼,可以進行一些表面處理來提高黑度,強化散熱。對輻射散熱一個最大錯誤認識是認為黑色可以強化熱輻射,通常散熱器表面黑色處理也助長了這種認識。
            實際上,物體溫度低于1800℃時,有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間,且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內,在可見光波段內,熱輻射能量比重并不大。顏色只與可見光吸收相關,與紅外輻射無關,夏天人們穿淺色的衣服降低太陽光中的可見光輻射吸收。因此終端內部可以隨意涂敷各種顏色的漆。
            2、熱阻的概念
            對導熱和對流換熱的公式進行變換:

            熱量傳遞過程中,溫度差是過程的動力,好象電學中的電壓,換熱量是被傳遞的量,好像電學中的電流,因而上式中的分母可以用電學中的電阻概念來理解成導熱過程的阻力,稱為熱阻(thermal resistance),單位為℃/W,其物理意義就是傳遞1W的熱量需要多少度溫差。在熱設計中將熱阻標記為R或θ。δ/(λA)是導熱熱阻, 1/αA是對流換熱熱阻。器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻,Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻;Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環境的對流換熱熱阻之和。這些熱阻參數可以根據實驗測試獲得,也可以根據詳細的器件內部結構計算得到。根據這些熱阻參數和器件的熱耗,就可以計算得到器件的結溫。

            下圖形象地表達了歐姆定律,類比歐姆定律,熱差類比于電壓,熱阻類比于電阻,熱耗類比于電流。

            



            兩個名義上相接觸的固體表面,實際上接觸僅發生在一些離散的面積元上,如右圖所示,在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣,熱量將以導熱和輻射的方式穿過該間隙層,與理想中真正完全接觸相比,這種附加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料(如硅脂)填充界面間的空氣。在涉及熱傳導時,一定不能忽視接觸熱阻的影響,需要根據應用情況選擇合適的導熱界面材料,如導熱脂、導熱膜、導熱墊等。



            二、器件熱特性


            1、認識器件熱阻
            JEDEC芯片封裝的熱性能參數:

            熱阻參數如下:


              θja,結(即芯片)到空氣環境的熱阻:θja=(Tj-Ta)/P
              θjc,結(即芯片)到封裝外殼的熱阻:θjc=(Tj-Tc)/P

              θjb,結(即芯片)到PCB的熱阻:θjb=(Tj-Tb)/P


            熱性能參數如下:


            ψjt,結到封裝頂部的熱參數:ψjt =(Tj-Tt)/P
            ψjb,結到封裝底部的熱參數:ψjb =(Tj-Tb)/P
            Tj——芯片結溫,℃
            Ta——空氣環境溫度,℃
            Tb——芯片根部PCB表面溫度,℃
            Tt——芯片表面溫度,℃
            θja 熱阻參數是封裝的品質度量(Figure of Merit),并非Application-specific,θja的正確的應用只能是芯片封裝的熱性能品質參數(用于性能好壞等級的比較),不能應用于實際測試/分析中的結溫預計分析。從90年代起,相對于θja人們更需要對實際工程師預計芯片溫度有價值的熱參數。適應此要求而出現三個新參數:θjb 、ψjt和ψjb 。
            ψjb可適當的運用于熱分析中的結溫分析;
            ψjt可適當運用于實際產品熱測試中的結溫預計;
            θjc是結到封裝表面離結最近點的熱阻值;
            θjc測量中設法使得熱流“全部”由封裝外殼通過;
            ψjt與θjc完全不同,并非是器件的熱阻值,只是個數學構造物,只是結到TOP的熱特征參數,因為不是所有熱量都是通過封裝頂部散出的。
            在實際應用中, ψjt對于由芯片封裝上表面測試溫度來估計結溫有有限的參考價值。
            θjb用來比較裝于板上表面安裝芯片封裝熱性能的品質參數(Figure of Merit),針對的是2s2p PCB,不適用板上有不均勻熱流的芯片封裝。

            θjb與ψjb有本質區別, θjb > ψjb 。與ψjt同理, ψjb為結到PCB的熱特征參數。


            不同封裝的熱特性:

            2、典型器件封裝散熱特性

            普通SOP封裝散熱性能很差,影響SOP封裝散熱的因素分外因和內因,其中內因是影響SOP散熱的關鍵。影響散熱的外因是器件管腳與PWB的傳熱熱阻和器件上表面與環境的對流散熱熱阻。內因源于SOP封裝本身很高傳熱熱阻。SOP封裝散熱主要通過三個途徑:
            1、die的熱量通過封裝材料(mold compound)傳導到器件上表面然后對流散熱,低導熱的封裝材料影響傳熱。
            2、die熱量通過pad、封裝材料和器件底面與PWB之間的空氣層后,遞到PWB散熱,低導熱的封裝材料和空氣層影響傳熱 。
            3、die熱量通過lead Frame傳遞到PWB,lead frame和die之間是極細的鍵合線(golden wire),因此die和leadframe之間存在很大的導熱熱阻,限制了管腳散熱。
            該封裝的特點是die采用cavity up方式布置,pad從封裝底部外露,并焊接在PWB表面;或者在pad底部粘結一個金屬塊,該金屬塊外露于封裝底部,并焊接在PWB表面。die的熱量通過金屬直接傳遞到PWB上,消除了原先的封裝材料和空氣層的熱阻。

            該封裝相當與把底部增強散熱型SOP封裝倒置過來貼裝到單板上。由于裸露在芯片上表面的pad面積很小,除了起到均勻die溫度的作用外,實際直接散熱的性能很差,一般還需要與散熱器結合來強化散熱。如果芯片表面不安裝散熱器,該金屬pad的主要作用是把die傳來的熱量擴展開來,再傳遞給芯片內部的管腳,最后通過管腳把熱量傳遞給PWB散熱,金屬pad起到縮短die和管腳間傳熱熱阻的作用。

            影響PBGA Rjc和Rja熱阻的因素有很多,從重要程度看依次是:
            1、thermal ball的個數
            2、die的尺寸
            3、substrate的結構,包括銅皮層數,銅皮厚度
            4、die attachment 材料的導熱系數
            5、gold wire的直徑
            6、PWB上導熱過孔的數量
            其中,前5個因素與器件本身的設計相關,因素6與PWB設計相關。

            一些PBGA芯片在表面貼銅塊強化散熱,由于mold的導熱系數很低,該金屬封裝表面仍為輔助散熱,關鍵散熱路徑仍在封裝的底部。
            需要了解器件內部的封裝結構選擇散熱方案!

            熱量傳遞方式:
            Die的熱量傳遞給上表面的銅塊,部分熱量通過銅塊傳遞到環境中;另外部分
            熱量通過銅塊依次傳遞給芯片的基板、焊球、PCB后,通過PCB散熱。

            當FC-BGA封裝熱耗在1~6W時,可以采用直接強迫對流散熱,Rja的范圍在8~12℃/W;當熱耗在4~10W時,需要加散熱器強化散熱,Rja的范圍在5~10℃/W;當熱耗為8~25W時,需要高端的散熱器配合合適的風道來進行強化散熱。

            TO器件的散熱往往需要較大的的銅皮,那么對于面積緊張的單板如何來實現?
            按重要程度依次為:
            1、過孔
            2、單板的層結構(地層或者電源層的位置)
            3、地層或者電源層的銅皮厚度
            4、焊盤厚度


            對于電子設備來說,工作時都會產生一定的熱量,從而使設備內部溫度迅速上升,如果不及時將該熱量散發出去,設備就會持續的升溫,器件就會因過熱而失效,電子設備的可靠性能就會下降。因此,對電路板進行很好的散熱處理是非常重要的。
            加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔。


            根據上圖可以看到:連接銅皮的面積越大,結溫越低。



            根據上圖,可以看出,覆銅面積越大,結溫越低。
            熱過孔:
            熱過孔能有效的降低器件結溫,提高單板厚度方向溫度的均勻性,為在 PCB 背面采取其他散熱方式提供了可能。通過仿真發現,與無熱過孔相比,在器件熱功耗為 2.5W 、間距 1mm 、中心設計 6x6 的熱過孔能使結溫降低 4.8°C 左右,而 PCB 的頂面與底面的溫差由原來的 21°C 減低到 5°C 。熱過孔陣列改為 4x4 后,器件的結溫與 6x6 相比升高了 2.2°C ,值得關注。

            IC背面露銅,減小銅皮與空氣之間的熱阻。



            3、單板器件的散熱途徑


            好的電路板板散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計
            THD器件的管腳數量少,焊接后封裝也不緊貼單板,與單板的熱關聯性很小,該類器件的熱量都是通過器件表面散到環境中。因此早期的器件散熱研究
            比較注重于器件表面的空氣流動,以期獲得比較高的器件表面對流換熱系數。
            SMD器件集成度高,熱耗也大,是散熱關注的重點。該類器件的管腳/焊球數量多,焊接后封裝也緊貼單板,與單板建立起緊密的換熱聯系,散熱方案必須從單板整體散熱的角度進行分析。SMD器件針對散熱需求也出現了多種強化散熱的封裝,這些封裝的種類繁多,但從散熱角度進行歸納分類,以引腳封裝和焊球封裝最為典型,其它封裝的散熱特性可以參考這兩種類推。
            PGA類的針狀管腳器件基本忽略單板散熱,以表面散熱為主,例如CPU等。

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