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技術(shù)專題
PCB設(shè)計中的熱管理技術(shù)
印刷電路板（PCB）是電子系統(tǒng)的基本組件。PCB的性能增強了整個設(shè)備的性能。隨著設(shè)備的小型化，單位面積產(chǎn)生的熱量增加了。反過來，這會使設(shè)備內(nèi)的組件發(fā)生故障，從而縮短設(shè)備的使用壽命。電子設(shè)備中主要的發(fā)熱組件是微處理器，晶體管，電阻器，電池，焊點和銅走線。當數(shù)百萬個這樣的組件在一個小區(qū)域內(nèi)堆積在一起時，產(chǎn)生的熱量將成倍增加?？梢酝ㄟ^維持嚴格的熱設(shè)計程序并在設(shè)備內(nèi)提供電路冷卻設(shè)施來緩解熱量過多的問題。
PCB的熱管理需求
PCB的性能通過其速度，精度和壽命等參數(shù)進行評估。電路中產(chǎn)生的過多熱量會影響電路的性能。由于電流的流動，PCB中會產(chǎn)生熱量。電路中產(chǎn)生的熱量為
發(fā)熱= I 2 R
其中，I是電路中流動的電流，R是電路熱阻。
熱阻也表示為。?的值為
? = l / A * K
哪里
是熱路徑的長度
A是路徑的橫截面積，并且
K是導(dǎo)熱系數(shù)
工程師的設(shè)計目標將是通過優(yōu)化任何這些參數(shù)以獲得更好的性能來降低電路的熱阻。高頻運行的設(shè)備可能會由于自耦合和相互耦合而發(fā)熱。
減少熱量的產(chǎn)生可以通過組件的選擇，放置和方向來實現(xiàn)。尤其是對于高速，高性能應(yīng)用，考慮到高工作頻率和設(shè)備緊湊性，熱管理變得至關(guān)重要。
PCB熱剖面分析
PCB的熱分析可以在仿真階段或在器件測試階段進行。該分析為設(shè)計工程師提供了PCB內(nèi)部熱量形成和傳遞的概念。然后，他們可以使用結(jié)果和模擬來提出有助于他們更好地管理熱量的技術(shù)。使用的一些分析技術(shù)是：
視力檢查
在操作過程中目視檢查設(shè)備，以查找是否有燃燒，過熱或組件損壞的跡象。組件變色和燃燒的氣味是設(shè)備故障的一些跡象?？梢宰R別并糾正諸如短路之類的簡單問題。
紅外攝像機測試
熱像儀紅外熱像儀可以查明熱泄漏的位置。IR分析對于發(fā)現(xiàn)假冒或有缺陷的組件很有用。焊錫不足，電阻更高和散熱更多的走線，可以使用IR分析來識別。
熱分析儀測試
這是原型前仿真級別的檢查。軟件仿真可以報告設(shè)計中潛在的發(fā)熱區(qū)域。使用此報告，可以在實際生產(chǎn)PCB時進行設(shè)計調(diào)整。仿真大大節(jié)省了時間和成本。仿真還可以提供有關(guān)在不同環(huán)境溫度下設(shè)備性能的數(shù)據(jù)。這將增強設(shè)備的可靠性
PCB散熱設(shè)計技術(shù)
設(shè)計技術(shù)和組件選擇可以幫助減少PCB中的熱量產(chǎn)生。常用技術(shù)包括散熱孔，散熱器，熱管和銅接地板等。在某些設(shè)備中還提供了冷卻風扇以引起外部冷卻。某些設(shè)備（例如，筆記本電腦）中同時使用了散熱器，熱管和風扇，這兩種技術(shù)的結(jié)合也被采用。
金屬作為導(dǎo)熱墊
銅是良好的熱導(dǎo)體。在PCB下方使用較厚的銅墊作為散熱墊。此技術(shù)稱為外部散熱器。銅板將熱量散布到整個板上，從而減少了任何特定的組件損壞。
PCB材料的選擇
設(shè)計人員選擇的PCB材料應(yīng)具有以下特性：在很寬的溫度和相對濕度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的介電性能，在很大的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的熱機械性能，并且與構(gòu)成PCB的其他材料具有熱兼容性。耐熱的PCB材料可降低溫度變化的風險。
內(nèi)部散熱片/散熱孔通過陣列設(shè)計
內(nèi)部散熱器是金屬通孔，可將熱量從頂層傳導(dǎo)到絕緣層，以將熱量分布在下面的銅平面上。散熱孔可以是簡單且空心的，也可以填充環(huán)氧樹脂并鍍銅。通孔可改善熱傳導(dǎo)。散熱孔可顯著降低熱阻。通孔離熱源越近，導(dǎo)熱性越好，系統(tǒng)的熱性能也越好。
冷卻系統(tǒng)
冷卻系統(tǒng)可以與設(shè)備集成在一起以改善散熱。冷卻系統(tǒng)可以是強制空氣冷卻型或流體冷卻型。通過策略性地放置冷卻風扇以釋放熱量來完成強制空氣冷卻。流體冷卻通過熱交換器過程完成。對于緊湊的低功率設(shè)備，風扇是優(yōu)選的，而對于產(chǎn)生高熱量的關(guān)鍵設(shè)備，則優(yōu)選流體冷卻。
優(yōu)化散熱設(shè)計的挑戰(zhàn)
縮小PCB面積
電路性能和速度
性價比
抗環(huán)境溫度