畢 勝

（海南大學(xué) 三亞學(xué)院，三亞 572022）

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的單位面積或體積功率密度日益提高，而其帶來的發(fā)熱問題，也是商家和研究者共同關(guān)注的焦點(diǎn)。相關(guān)研究顯示[1]，電子儀器和設(shè)備的主要故障是過熱而導(dǎo)致的損壞，溫度過高會(huì)造成55%以上的電子儀器和設(shè)備的失效；并且電子儀器和設(shè)備的失效率伴隨著溫度的升高成指數(shù)增長(zhǎng)；更有甚者，一些器件還存在10℃法則，即環(huán)境溫度每升高10℃，器件的失效率就會(huì)增大一倍以上[2]。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是，電子儀器和設(shè)備在具體的使用過程中，所面臨的工作環(huán)境，肯定要比試驗(yàn)測(cè)試條件下的環(huán)境要更加惡劣和多樣多變，那再加上溫度升高的影響，損壞率就會(huì)更高。

另一方面，由于CPU的高使用頻率和電子儀器設(shè)備的高密度安裝，如何進(jìn)行有效的、立體的散熱就成為了備受關(guān)注的問題，這不僅關(guān)系到上面提到的誤差率和損壞率，更是影響到商品的價(jià)格，這也是電子儀器和設(shè)備投入生產(chǎn)所必須考慮的核心。[3]研究和實(shí)踐均表明，散熱器、風(fēng)扇及箱體構(gòu)造等辦法都是比較有效的散熱手段，但這些手段在小型便攜終端的狹小空間內(nèi)，尤其是安裝在母板上的模組元件，更是經(jīng)常無用武之地；面對(duì)這種狀況，要求基板本身具備散熱效果已經(jīng)是大勢(shì)所趨了。有鑒于此，本文對(duì)印制電路板(PCB)的散熱方案進(jìn)行了探討，以期達(dá)到一個(gè)較好的散熱優(yōu)化效果。

1 某信號(hào)預(yù)處理模塊PCB的基本參數(shù)

該P(yáng)CB采用8層板，板的尺寸為180mm×140mm×1.6mm，板內(nèi)層有1個(gè)地層、2個(gè)信號(hào)層、3個(gè)電源層。板頂層和底層厚2盎司，含銅量20%；兩個(gè)信號(hào)層厚2盎司，含銅量10%；電源層和地層厚1盎司，含銅量都為80%。經(jīng)過計(jì)算，整個(gè)板的總功耗為40.52W，其中為了增強(qiáng)器件的可靠性，各器件的功耗取器件正常工作的最大功耗或設(shè)計(jì)的最大值。如圖1所示為板上主要功耗元器件的基本參數(shù)。

圖1 主要功耗元器件的基本參數(shù)示意圖

2 信號(hào)預(yù)處理模塊PCB散熱方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般而言，根據(jù)環(huán)境條件和元器件功耗大小的不同，來綜合考慮PCB中元器件的布局。該P(yáng)CB采用的是簡(jiǎn)化模型，其中：編號(hào)為T開頭的電源類元器件，封裝為TO-263-3pin；U1、U2、U5、U6和U7的元器件，封裝為PBGA。由于T開頭的電源類元器件，功耗大、散熱面積小，故是該P(yáng)CB上的主要熱源，采用詳細(xì)熱阻模型建模；而U1、U2、U5、U6和U7，不僅散熱面積較大、且整體的散熱性能相對(duì)較好，故采用二熱阻網(wǎng)絡(luò)模型建模。最后，根據(jù)散熱的相關(guān)原則，運(yùn)用熱力導(dǎo)向優(yōu)化算法，形成了PCB如圖2所示的元器件布局。

圖2 PCB元器件的優(yōu)化布局

在對(duì)PCB元器件進(jìn)行了布局好后，接著運(yùn)用三種散熱方式，在板水平放置、熱面朝上和器件布局優(yōu)化的情況下，分別對(duì)器件的結(jié)點(diǎn)溫度做了相關(guān)測(cè)試。

圖3 自然對(duì)流條件下器件結(jié)點(diǎn)溫度仿真結(jié)果

圖4 強(qiáng)制對(duì)流條件下器件結(jié)點(diǎn)溫度的防真結(jié)果

圖5 熱傳導(dǎo)條件下器件結(jié)點(diǎn)溫度的仿真結(jié)果

仔細(xì)觀察圖3-圖5不難看出，在空氣流速為0.5m/s，即所謂的自然對(duì)流條件下，T1-4的結(jié)點(diǎn)溫度為140℃，T2-4的結(jié)點(diǎn)溫度為139℃，二者均超過規(guī)定值125℃，而此時(shí)板對(duì)應(yīng)的平均溫度為102℃。而在空氣流速為2m/s，即所謂的強(qiáng)制對(duì)流條件下，出現(xiàn)了所有器件的結(jié)點(diǎn)溫度均限定于規(guī)定的范圍之內(nèi)的樂觀現(xiàn)象，這便說明了強(qiáng)制對(duì)流散熱方案可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求。器件T1-4和器件T2-4在熱傳導(dǎo)條件下，其結(jié)點(diǎn)溫度分別是144℃和143℃，同樣超過規(guī)定的溫度值，此時(shí)102℃是板對(duì)應(yīng)的平均溫度。因此，倘若PCB散熱性能沒有得到適當(dāng)改善，同時(shí)也沒有適時(shí)地采用附加散熱措施，設(shè)計(jì)者也將無從滿足設(shè)計(jì)上的要求。假如設(shè)置相同的器件布局，采用自然對(duì)流方式對(duì)器件結(jié)點(diǎn)的溫度造成的影響是區(qū)別于采用傳導(dǎo)方式所可能帶來的影響的，不過二者差別甚小，其主要原因可以歸于熱傳導(dǎo)在散熱過程中起主導(dǎo)作用。然而，倘若換種散熱方式，采用強(qiáng)制對(duì)流散熱，當(dāng)強(qiáng)制對(duì)流在散熱過程中起到主導(dǎo)作用時(shí)，散熱效果就會(huì)愈加明顯。

通過以上對(duì)三種散熱方式下各器件結(jié)點(diǎn)溫度的分別預(yù)測(cè)，最終可以確定，強(qiáng)制對(duì)流散熱方式是整板最好的散熱方式。然而問題在于，如何通過改善板的散熱能力以實(shí)現(xiàn)在自然對(duì)流和傳導(dǎo)條件下板也能正常工作的目的。就不同散熱方式所面臨的環(huán)境條件而言，傳導(dǎo)散熱方式較之自然對(duì)流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對(duì)散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。故此處僅對(duì)傳導(dǎo)水平放置方式的情況進(jìn)行討論。

觀察圖1可知，器件T1-4的結(jié)點(diǎn)溫度為144℃，T2-4的結(jié)點(diǎn)溫度為143℃，二者功率密度均為2.19W/cm2，較之其他器件的結(jié)點(diǎn)溫度來說，最大差值可達(dá)37℃，最小差值也為13℃，因此，整個(gè)熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)也就集中在了如何有效降低器件T1-4和器件T2-4的結(jié)點(diǎn)溫度。

分析以上數(shù)據(jù)之后，制定散熱方案如下：

1）從整體角度著手，提升板的散熱能力。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)PCB結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過適當(dāng)增加地層和電源層的銅的含量以求達(dá)到提高板平面導(dǎo)熱系數(shù)的目的；采用覆銅連接熱過孔，并通過增加熱過孔的個(gè)數(shù)，以使得板在厚度方向上的導(dǎo)熱能力得以加強(qiáng)。

2）從局部角度著手，將導(dǎo)熱墊或小塊銅皮加載于器件T1-4和器件T2-4的底部與板之間以求減小熱阻；或者也可以利用熱線性疊加原理，減輕與器件T1-4和器件T2-4相鄰器件之間的熱耦合作用。

3）假如以上措施的采用仍不能將器件最高的結(jié)點(diǎn)溫度限定于規(guī)定的范圍值內(nèi)，那么從系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)角度來考慮，此時(shí)就需要增加附加散熱措施，譬如采用金屬夾心，或者采用鋁質(zhì)散熱板，為達(dá)到加強(qiáng)板的散熱能力之目的就需要使用邊緣導(dǎo)軌將板邊沿固定在散熱器或機(jī)箱壁或冷板上來。

針對(duì)以上三種方案，還必須將設(shè)計(jì)成本以及器件之間連線最短的因素考慮在內(nèi)，以力求減小干擾，實(shí)現(xiàn)方便維修。

3 結(jié)論

通過實(shí)例分析總功耗為40.52W的某信號(hào)預(yù)處理模塊的PCB：熱阻模型的選擇需要以各器件的功耗大小為準(zhǔn)。在布局各器件時(shí)運(yùn)用熱力導(dǎo)向優(yōu)化算法以實(shí)現(xiàn)最大限度優(yōu)化的目的，并針對(duì)優(yōu)化布局的可行性分別在三種散熱方式條件下進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。就不同散熱方式所面臨的環(huán)境條件而言，傳導(dǎo)散熱方式較之自然對(duì)流散熱方式更為惡劣，就擺放位置對(duì)散熱效果的影響而言，水平放置較之豎直放置要惡劣。因此，將分析和驗(yàn)證的對(duì)象鎖定在了傳導(dǎo)散熱方式上?；谏鲜龌A(chǔ)，

研究人員制定了三種散熱優(yōu)化方案并分別對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示：器件T1-4之結(jié)點(diǎn)溫度由最初基本設(shè)置時(shí)的144℃降到了91.1℃，而器件T2-4之結(jié)點(diǎn)溫度也由最初基本設(shè)置時(shí)的143℃降到了89℃，至于PCB的平均溫度，其也由初始設(shè)置時(shí)的101.7℃降到了81.3℃，各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)均達(dá)到了PCB初期設(shè)計(jì)時(shí)的基本要求，使得優(yōu)化方案的可行性也得到了更好地驗(yàn)證。

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