數(shù)學計算機《第4-7章》課件-第6章

第六章PCB的熱設計隨著電子設計與制造技術(shù)的發(fā)展，電子及相關(guān)產(chǎn)業(yè)追求小型化、集成化、高頻率和高運算速度，電子元器件和設備的熱流密度迅速增加。因此對電子設備進行合理的熱設計變得尤為重要。而電子元器件散發(fā)的熱量大多通過傳導、對流、輻射傳遞到電路基板，因此對PCB進行合理有效的熱設計也很關(guān)鍵。第六章PCB的熱設計6.1PCB上的熱源一般電子設備的熱量主要來源于三個方面：一是電子設備工作過程中，功率元器件耗散的熱量；二是電子設備的工作環(huán)境，通過導熱、對流和熱輻射的形式，將熱量傳給電子設備；三是電子設備與大氣環(huán)境產(chǎn)生相對運動時，各種摩擦引起的增溫。所以，熱設計的總原則就是自熱源至耗散空間之間，提供一條盡可能低、盡可能短的熱阻通路。同樣，PCB中熱量的來源主要也有三個方面：①電子元器件的發(fā)熱；②PCB本身的發(fā)熱；③其它部分傳來的熱。在這三個熱源中，元器件的發(fā)熱量最大，是主要熱源，其次是PCB產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設計，暫時不做考慮。PCB熱設計的目的是采取適當?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷cPCB的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作。這主要是通過減小發(fā)熱和加快散熱來實現(xiàn)的。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2.1元器件排列方式元器件布局的合理與否直接影響到產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、EMC等,必須從電路板的整體布局、布線的可通性和PCB的可制造性、機械結(jié)構(gòu)、散熱、EMI、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮。一般先放置與機械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件。元器件在印制板上進行排列時，要盡可能按元器件的軸線方向排列，元器件以臥式安裝為主，并與板的四邊垂直或平行，這樣對安裝調(diào)試及維修均較方便。同時,要兼顧布線方面的要求,高頻元器件的放置要盡量緊湊,從而降低信號線的交叉干擾等。1.布局原則目前，電子設備向多功能、小型化方向發(fā)展，排列元件時應考慮下列因素：(1)應保證電路性能的實現(xiàn)。電路性能一般是指電路的頻率特性、波形參數(shù)、電路增益和工作穩(wěn)定性等有關(guān)指標。元器件的布局應使電磁場的影響減小到最低，避免電路之間形成干擾以及防止外來的干擾，以保證電路正常穩(wěn)定地工作。(2)應有利于布線，方便于布線。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計(3)應滿足結(jié)構(gòu)工藝的要求。元器件布局時要考慮重量大的元器件及部件的位置應分布合理，使整機重心降低，機內(nèi)重量分布均衡。(4)應有利于設備的裝配、調(diào)試和維修。元器件的布局要有利于生產(chǎn)時裝調(diào)的方便和使用維修時的方便。(5)美觀原則。在保證電路功能和性能指標的前提下，PCB上元器件的布局應考慮排列的美觀性。(6)排列順序。排列順序應遵循：先放置面積較大的元器件；放置集成電路后，再在其周圍放置其它分立元件；先放置主電路元器件，再放置次電路元器件；應以核心器件為中心，再圍繞它放置其它附屬器件。(7)就近原則。當印制板上對外連接確定后，相關(guān)電路部分應就近安放，避免走遠路，繞彎子，尤其忌諱交叉穿插。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2.布局的一般方法元器件在印制板平面上的排列，可分為三種方式，即不規(guī)則排列、坐標排列和坐標格排列，如圖所示。不規(guī)則排列主要從電性能方面考慮，其優(yōu)點是減少印制導線和元器件的接線長度，從而減小電路的分布參數(shù)；缺點是外觀不整齊，也不便于機械化裝配。這種排列一般適合于高頻（30MHz以上），如圖（a）所示。坐標排列是指元器件與印制電路板的一邊平行或垂直。其優(yōu)點是排列整齊，缺點是引線可能較長，適用于低頻（1MHz以下），如圖（b）所示。坐標格排列是指元器件除與印制板的一邊平行或垂直以外，同時要求孔位于坐標格的交點上。對于孔組至少應有一個孔位于坐標網(wǎng)格交點上，如圖（c）所示。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計1)按電路組成順序成直線排列的方法這種方法一般按電路原理圖組成順序按級成直線布置各個功能單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。這種排列的優(yōu)點如下：（1）電路結(jié)構(gòu)清晰，便于布設、檢查，也便于各級電路的屏蔽或隔離。（2）輸出級與輸入級相距甚遠，使級間寄生反饋減小。（3）前后級之間銜接較好，可使連接線最短，減小電路的分布參數(shù)。2)按電路性能及特點的排列方法（1）如果由于整機要求必須將整個電路分成幾塊安裝，則應使每一塊裝配好的印制電路板成為獨立的功能電路，以便于單獨調(diào)整、檢驗和維護。（2）在布設高頻電路元件時，應注意元件之間的距離越小越好，引線要短而直。（3）對于推挽電路、橋式電路等對稱性電路元件的排列，應注意元器件布設位置和走線的對稱性，使對稱元器件的分布參數(shù)盡可能一致。（4）在電路中高電位的元件應排列在橫軸方向上，低電位的元件應排列在縱軸方向上，這樣可以減少高電位元件對低電位元件的干擾。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（5）將低電位的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。（6）高、中、低速邏輯電路在PCB上要占用不同的區(qū)域。（7）安排電路時要使得信號線長度最小。（8）防止電磁干擾的濾波器要盡可能靠近EMI源，并放在同一塊電路板上。（9）印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件和非噪聲元件要距離再遠一些。（10）如果遇到干擾電路靠近放大電路的輸入端，在布設時若無法拉近兩者的距離，則可改變相鄰的兩個元件的相對位置，以減小脈動及噪聲干擾。3)從結(jié)構(gòu)工藝上考慮元器件的排列方法印制電路板是元器件的支撐主體，元器件的排列主要是印制板上元器件的排列，其結(jié)構(gòu)工藝應注意以下幾點：（1）在一般情況下，所有元器件均應布置在印制板的一面，以便于加工、安裝和維護。對于單面印制板，元器件只能安裝在沒有印制電路的一面，元器件的引線通過安裝孔焊接在印制導線的接點上。對于雙面印制板，元器件也盡可能安裝在板的一面。（2）為防止印制板組裝后的翹曲變形，元器件的排列要盡量對稱，重量平衡，重心盡量靠板子的中心或下部，采用大板子組裝時，還應考慮在板子上使用加強筋。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（3）元器件在板子上應排列整齊，不應隨便傾斜放置；軸向引出線的元器件一般采用臥式跨接，使重心降低，有利于保證自動焊接時的質(zhì)量。（4）對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應考慮整機的結(jié)構(gòu)要求。若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，應放在印制板上便于調(diào)節(jié)的地方；若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應。（5）在元器件排列時，元器件外殼或引線到印制板的邊緣距離不得小于2mm。在一排元件或部件中，兩相鄰元器件外殼之間的距離應根據(jù)工作電壓來選擇，但不得小于1mm。4)按元件的特點及特殊要求合理安排（1）敏感元件的排列，要注意遠離敏感區(qū)。如熱敏元件不要靠近發(fā)熱元件，光敏元件更要安排在遠離光源的位置。（2）磁場較強的元件，在放置時應注意其周圍有適當?shù)目臻g或采取屏蔽措施，以減小對鄰近電路(元件)的影響。它們之間應注意放置的角度，一般應互相垂直或成某一角度放置，不應平行安放，以免互相影響。（3）高壓元器件或?qū)Ь€，在排列時要注意和其它元器件保持適當?shù)木嚯x，防止擊穿或打火。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（4）需要散熱的元器件，要裝在散熱器或作為散熱器的機器底板上，或者在排列時有利于通風散熱。3.典型電路元器件的布局1)穩(wěn)壓電源多數(shù)電子設備中都有穩(wěn)壓電源，是設備的直流電源供給部分，主要特點是：質(zhì)量大，工作穩(wěn)度高，容易產(chǎn)生電網(wǎng)頻率干擾，有高壓輸出時對絕緣要求較高，輸出低壓大電流時對導線及接地點有一定要求。因此在元器件布局時，應主要考慮下面的問題：（1）電源中的主要器件體積和質(zhì)量都大，布局時應放置在金屬水平底座上，使整機重心平衡，機械緊固要牢。底座一般用涂覆的鋼質(zhì)材料，除保證機械強度外，還常用作公共地線。（2）電源中發(fā)熱元件較多，布局時應考慮通風散熱。（3）電源內(nèi)有電網(wǎng)頻率的泄漏磁場，易與放大器某些部分發(fā)生交連而產(chǎn)生交流聲，因此，電源部分應與低頻放大部分隔開，或者進行屏蔽。（4）當電源內(nèi)有高壓時，注意要使高壓端和高壓導線與機架機殼絕緣，并遠離地電位的連線及結(jié)構(gòu)件。控制面板上要安裝高低壓開關(guān)和指示燈，各種控制器和整流器的外殼都要妥善接地。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2)低頻放大器低頻放大電路是電子設備中常用的一種電路，主要特點是工作頻率低，一般增益較高，易受干擾產(chǎn)生干擾聲，或由寄生反饋引起自激。因此，在元件布局時考慮以下幾個方面：（1）輸入引線盡量短。尤其在連接電阻等元件時，接交流高電位的引線越短越好，接交流地電位的引線可以稍長一些。（2）輸入端電位器外殼和軸柄應當良好地接地。如音調(diào)控制電路的高、低音調(diào)節(jié)電位器，一般工作電平都較低，容易受空間電磁場的干擾。所以，既要將電位器的外殼接地，又要使軸柄接地，保證良好屏蔽，免除外界干擾。（3）正確安裝指示燈。一般指示燈與電源變壓器的繞組較遠，所以引線很長，很容易成為交流干擾源。為此，要求指示燈離輸入級電路盡量遠。最好采用雙線對地絕緣的指示燈座，并把燈絲引線雙線絞合起來。（4）放大器輸入回路的導線和輸出回路、交流電源的導線要分開，不要平行鋪設或捆扎在一起，以免相互感應。（5）小信號的輸入線要采用具有金屬絲外殼的屏蔽線，屏蔽線外套要可靠接地，并且必須一端接地。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計3)中頻放大器在元器件布局時，應注意各級發(fā)射極電阻和旁路電容接地，并且基極偏置電阻和退耦電容的接地點最好接在一起。4)高頻放大器高頻放大器的主要特點是：工作頻率較高，若增益比較大，則電路工作穩(wěn)定性很容易受到影響。這主要是由于電路元件的分布參數(shù)使電路原來的參數(shù)發(fā)生了變化，導致電路不能正常工作。因此，在布置元件時應注意以下幾點：（1）在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣不但美觀，而且焊接容易，便于批量生產(chǎn)。（2）元器件布置要緊湊，要有利于連接并且連線最短，必要時可將元器件直接組裝在開關(guān)上，形成波段轉(zhuǎn)換組裝件。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離（3）高頻電路中的安裝件的布置，要考慮它們與高頻回路元件之間的位置、距離及帶來的影響。若距離很近則會不同程度地改變回路的分布參數(shù)，影響電路性能。常將流過高頻電流的導線和元件架空，離開底座。另外，每一件安裝件都要保證牢固可靠；若遇到振動、沖擊，則不允許發(fā)生相對位移，以避免分布參數(shù)的改變給電路帶來不良影響。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（4）高頻電路的接地方式十分重要。首先是接地點的正確選擇，包括元件就近接地和盡量做到一點接地，當這兩種接法有矛盾時，可根據(jù)具體情況靈活運用，以試驗效果來確定；其次是接地性能必須良好。4.元器件布局的檢查（1）印制板尺寸是否和加工圖紙尺寸相符？是否符合PCB制造工藝的要求？有無定位標記？（2）元件在二維、三維空間上有無沖突？（3）元件布局是否疏密有序、排列整齊？是否全部布完？（4）需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換？插件板插入設備是否方便？（5）熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當?shù)木嚯x？（6）可調(diào)元件的調(diào)整是否方便？（7）在需要散熱的地方，裝了散熱器沒有？空氣流是否流暢？（8）信號流程是否順暢且互連最短？（9）插頭、插座等與機械設計是否矛盾？（10）線路的干擾問題是否有所考慮？第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2.2PCB走線設計在PCB設計中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細，工作量最大。大多數(shù)PCB布線受限于電路板的大小和覆銅板的層數(shù)。一些布線技術(shù)可以應用于一種電路，卻不能應用于另外一種，這主要依賴于布線工程師的經(jīng)驗。1.印制導線的走線形式1）直角走線直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標準之一。直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。直角走線對信號的影響主要體現(xiàn)在三個方面：一是拐角可以等效為傳輸線上的容性負載，減緩上升時間；二是阻抗不連續(xù)會造成信號的反射；三是直角尖端會產(chǎn)生電磁干擾。2）差分走線差分信號在高速電路設計中的應用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設計。差分信號就是驅(qū)動端發(fā)送兩個等值、相反的信號，接收端通過比較兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。差分走線與單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢：一是抗干擾能力強，二是時序定位準確。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計3）蛇形走線蛇形走線是布線中經(jīng)常使用的一類走線形式，其主要目的就是為了延時，滿足系統(tǒng)時序設計的要求。PCB上的任何一條走線在通過高頻信號的情況下都會對該信號造成延時，蛇形走線的主要作用是補償“同一組相關(guān)”信號線中延時較小的部分。2.印制接點的形狀尺寸印制接點是指印制在榫接孔周圍的金屬部分，供元件引線和跨接線焊接用。接點的尺寸取決于榫接孔的尺寸。榫接孔是指固定元件引線或跨接接線面貫穿基板的孔。印制電路板接點的形狀可以分為三種形式：島形接點、圓形接點和方形接點。（1）島形接點。具有島形接點的印制電路多應用在高頻電路中。它可以減少接點和減小印制導線的電感，增大地線的屏蔽面積，以減小接點間的寄生耦合。（2）圓形接點。具有圓形接點的印制電路多用于低頻及一般電路中。它由圓形焊盤及導線組成，導線走向直觀、明確。（3）方形接點。具有方形接點的印制電路多應用于低頻電路。它的焊點與導線區(qū)別不明顯。由于不需要畫圖，因此其繪制比較方便。它適用于手工描版或刀刻。其加工精度要求低，應用得較少。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計3.PCB布線的原則在PCB分區(qū)、分層、布局等基本框架確定好以后，就該進行PCB布線了。布線時，必須先對所有信號線進行分類，對控制、數(shù)據(jù)、地址等總線進行區(qū)分，對I/O接口線進行分類。首先布時鐘、敏感信號線，再布高速信號線。在確保此類信號的過孔足夠少，分布參數(shù)足夠好以后，最后再布一般的不重要的信號線。對于元器件的引角出線，同樣也要仔細分析，確保布線最優(yōu)。1）電源、地線的處理即使在整個PCB中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，也會使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。因此，對電、地線的布線要認真對待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。現(xiàn)只對降低或抑制噪音作一表述。通常是在電源、地線之間加上去耦電容。盡量加寬電源、地線的寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號線。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路,即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用，用大面積銅層作地線使用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線使用，或是做成多層板，電源、地線各占用一層。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2）數(shù)字電路與模擬電路的共地處理現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個節(jié)點，所以必須在PCB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的，它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處，數(shù)字地與模擬地有一點短接，注意只有一個短接點。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設計來決定。3）信號線布在電層上在多層印制板布線時，由于在信號線層沒有布完的線已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會造成浪費，也會給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應增加了。為解決這個矛盾，可以考慮在電層上進行布線。首先應考慮用電源層，其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。4）大面積導體中連接腿的處理在大面積的接地中，常用元器件的腿與其連接，對連接腿的處理需要進行綜合考慮。就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患。所以兼顧電氣性能與工藝需要，可做成十字花焊盤，稱之為熱隔離，俗稱熱焊盤。這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點的可能性大大減小。多層板的接電層腿的處理相同。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計5）布線中網(wǎng)絡系統(tǒng)的作用在許多CAD系統(tǒng)中，布線是依據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過密，通路雖然有所增加，但步進太小，圖場的數(shù)據(jù)量過大，這必然對設備的存儲空間有更高的要求，同時也對計算機類電子產(chǎn)品的運算速度有極大的影響。而有些通路是無效的，如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定門孔所占用的等。網(wǎng)格過疏，通路太少對布通率的影響極大。所以要有一個疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進行。6）設計規(guī)則檢查布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規(guī)則，同時也需確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有以下幾個方面：（1）線與線、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。（2）電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。（3）對于關(guān)鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（4）模擬電路和數(shù)字電路部分是否有各自獨立的地線。（5）后加在PCB中的圖形是否會造成信號短路。（6）對一些不理想的線形是否進行了修改。（7）在PCB上是否加有工藝線。（8）阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質(zhì)量。（9）多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小，如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。7）其它布線細則（1）一般情況下，首先應對電源線和地線進行布線，以保證電路板的電氣性能。預先對要求比較嚴格的線（如高頻線）進行布線，輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。（2）振蕩器外殼接地，時鐘線要盡量短，且不能引得到處都是。時鐘振蕩電路下面、特殊高速邏輯電路部分要加大地的面積，而不應該走其它信號線，以使周圍電場趨近于零。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（3）盡可能采用45°的折線布線，不可使用90°折線，以減小高頻信號的輻射（要求高的線還要用雙弧線）。（4）任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應盡量?。恍盘柧€的過孔要盡量少。（5）關(guān)鍵的線盡量短而粗，并在兩邊加上保護地。（6）通過扁平電纜傳送敏感信號和噪聲場帶信號時，要用“地線—信號—地線”的方式引出。（7）關(guān)鍵信號應預留測試點，以方便生產(chǎn)和維修檢測用。（8）原理圖布線完成后，應對布線進行優(yōu)化；同時，經(jīng)初步網(wǎng)絡檢查和DRC檢查無誤后，應對未布線區(qū)域進行地線填充，用大面積銅層作地線使用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線使用，或是做成多層板，電源、地線各占用一層。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計2.3PCB材料選擇在電子整機產(chǎn)品中，印制板起著負載元器件、電路互連和電路絕緣三大作用，它可以分為有機樹脂系絕緣基材和陶瓷系絕緣基材兩大類。有機樹脂系是由紙、玻璃纖維等基材和酚醛系、環(huán)氧系等樹脂組合而成的絕緣基材；陶瓷系用作絕緣基材時，主要用于封裝元件中。從構(gòu)造和功能方面分類，有機樹脂系又可以分剛性PCB、撓性PCB和兼有兩者特征的剛撓PCB三種。剛性PCB根據(jù)生產(chǎn)階段的不同，又可分為覆銅箔板、印制板和印制板組件。1.印制板的主要參數(shù)1）電氣參數(shù)（1）介電常數(shù)。介電常數(shù)是以某塑料為介質(zhì)時的電容與以真空為介質(zhì)的電容之比，又稱電容率或相對電容率，是表征介質(zhì)儲電能力大小的一個物理量，常用ε表示。介電常數(shù)越小，材料的絕緣性越好。不同的基板材料有不同的介電常數(shù)。印制基板提供的電路性能必須能夠使信號在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號保持完整，傳輸損耗低，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、精確、無干擾的傳輸信號。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（2）電介質(zhì)損耗。電介質(zhì)損耗是體現(xiàn)材料絕緣特性的重要參數(shù)。常用電介質(zhì)損耗角用正切tanδ來表示，它是電介質(zhì)損耗與該電介質(zhì)無功功率之比，其數(shù)值越小，表明絕緣特性越好。（3）特性阻抗。特性阻抗（Z0）在印制板中也是重要的電氣參數(shù)，它需要與電路的元器件阻抗匹配。特性阻抗除了與導線的寬度、厚度和導線間距有關(guān)外，還與基板的介電常數(shù)及介電損耗有關(guān)。特性阻抗與基材的介電常數(shù)的平方根成反比，即介電常數(shù)越小，阻抗越大。在高頻微波電路中選擇介電常數(shù)較小的基材，可以避免只靠減小導線寬度的辦法來提高阻抗，因為導線寬度減小程度是受工藝極限制約的。過細的導線制作難度很高，所以設計時應綜合平衡兩者的關(guān)系，不斷優(yōu)化設計，以達到最佳的可制造性。2）機械參數(shù)（1）彎曲和扭曲。印制板的彎曲是沿一個方向的變形；而扭曲則是沿著對角線的翹曲，它有兩個方向的變形。彎曲是指印制板的單向弧度變形，扭曲是指印制板的多向變形。彎曲和扭曲的測量可通過選取一塊邊長為914.4mm的方形或短邊不小于610mm的長方形基板樣本來進行。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計（2）剝離強度。剝離強度指粘貼在一起的材料，從接觸面進行單位寬度剝離時所需要的最大力。剝離時角度有90°或180°，它反映了材料的黏結(jié)強度。在印制板中，剝離強度表示銅箔與基材黏結(jié)力的大小，它隨著銅箔厚度和材質(zhì)的變化而變化。印制板的機械參數(shù)還包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、沖孔與鉆孔加工性能及吸水率。印制板工作溫度應遠小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而通過基板吸水率的大小可以判斷印制板濕度是否符合要求。3）阻燃性能剛性和撓性印制板均有阻燃型和非阻燃型兩大類。目前對電子產(chǎn)品安全性要求越來越高，市場以阻燃板為主要產(chǎn)品。2.基板材料的選擇在選擇好半導體器件和全部設計方法后，下一步就是選擇合理的基材?；木褪怯≈瓢逵玫幕宀牧稀；膶Τ善酚≈瓢宓哪碗妷骸⒔^緣電阻、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等電性能以及耐熱性、吸濕性及環(huán)保等有很大影響。正確地選擇基材是印制板設計的重要內(nèi)容，這對于高速印制板設計更為重要。第六章PCB的熱設計6.2PCB結(jié)構(gòu)設計基板材料的選擇很大程度上依賴于應用，這些材料應具有的特性如下：（1）高導熱率，以便使模塊散熱。（2）CTE特性接近那些連接到基底的材料。（3）可接受的成本（低成本高產(chǎn)出的應用）。（4）對電路走線和元件的電氣隔離具有好的絕緣特性。（5）對于電路走線和低電容耦合的低電容負載具有低的介電常數(shù)。（6）耐用性、加工性應具有高強度和韌性。（7）高度的尺寸穩(wěn)定性。（8）在用于模塊制造與工作的處理溫度下具有化學和物理穩(wěn)定性。PCB表面貼裝或穿孔技術(shù)常采用FR-4,主要的標準是低成本。陶瓷技術(shù)常采用Al2O3,主要的標準是低成本、高性能和小型化。功率模塊磚常采用帶有AlN或BeO基底的DBC或IMS，最主要的準則是高導熱率、高電流承載能力以及對溫度循環(huán)和電應力的高可靠性。另外，在設計和布局方面要最大化銅的面積，這點非常重要。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件和設備的日趨小型化，使得設備的體積功率密度越來越大，特別在機載電子設備中尤為突出。熱設計問題主要反映在一些功率器件和功率組件上，這些設備的冷卻散熱措施有多種，現(xiàn)將其方法和特點概述如下。1.自然冷卻電子設備所產(chǎn)生的熱量是通過傳導、對流和輻射三種方式將熱量散發(fā)到周圍的空氣中，再通過空調(diào)等其它設備降低環(huán)境溫度，達到散熱的目的。進行熱設計時，要盡可能減小傳遞熱阻，增加設備中的對流風道和換熱面積，增大設備外表的輻射面積。自然冷卻是最簡單、最經(jīng)濟的冷卻方法，但散熱量不大，一般用于熱流密度不大的設備，如圖所示。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式2.強迫空氣冷卻強迫空氣冷卻按照風機的工作方式可分為抽風冷卻和吹風冷卻，如圖所示。當設備熱源分布均勻時，采用抽風冷卻；非均勻熱源采用吹風冷卻。根據(jù)設備發(fā)熱量的大小，對所選的風機及風機的安裝方式都有特殊要求。按照空氣流經(jīng)發(fā)熱元件的方向，強迫空氣冷卻又分為橫向通風冷卻和縱向通風冷卻。強迫空氣冷卻是常見的冷卻方法，與間接冷卻方法相比，該冷卻方法有結(jié)構(gòu)簡單、設備量少、成本低等優(yōu)點，多用于熱流密度較高的設備。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式3.間接冷卻間接冷卻是元器件與冷卻介質(zhì)不直接接觸，熱量是通過換熱器或冷板進行散熱的方法。3.1MCM自然風冷卻1.MCM的定義、構(gòu)成及結(jié)構(gòu)特點MCM的一種典型定義為：MCM是將兩個或兩個以上的大規(guī)模集成電路裸芯片和其它微型元器件電連接于同一塊共用的高密度互連基板上，并封裝在同一外殼內(nèi)所構(gòu)成的具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件。MCM的基本構(gòu)成如圖所示。一個較為復雜典型的MCM是在多層布線基板上，采用微電子技術(shù)互連工藝將電阻、電容器和電感等無源元件與LSI、IC裸片進行二維或三維組合并電氣連接，再實施必要的有機樹脂灌封與機械或氣密性封裝構(gòu)成的部件級的復合器件——二維或三維多芯片組件。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式MCM一般由三大部分構(gòu)成:芯片、多層基板與較大的密封外殼。多層布線基板是MCM的支柱,其成本占總成本的60%,為整個MCM提供機械底座,對芯片的散熱性能影響極大,與IC芯片之間的熱匹配有較高的要求?；宀牧系倪x用至關(guān)重要,它影響MCM的性能、相關(guān)材料的選擇以及最終成本。2.自然對流的換熱系數(shù)求取當流體密度發(fā)生變化時,會發(fā)生由對流引起的熱傳遞。若流體僅是由密度不同而產(chǎn)生的移動過程則稱為自然對流。因為不需要附加設備,自然對流的基本關(guān)系用三個無量綱的比值即努塞爾數(shù)、格拉曉夫數(shù)和普朗特數(shù)來表示,如下所示:經(jīng)驗已經(jīng)證明,指數(shù)m和n非常接近相等。電子設備的自由對流計算可以使用0.25的指數(shù)值進行。式(6-1)的幾個術(shù)語可以合并以簡化對流關(guān)系。令于是有第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式在0~200℉的很寬的溫度范圍內(nèi),關(guān)系式Kα0.25接近于常數(shù),其值為約0.52。將該值代入式(6-3),可得到層流范圍內(nèi)的簡化的自然對流方程:1)垂直板的自然對流在正常溫度和海平面條件下,受熱垂直板的簡化層流自然方程可利用式(6-4)求得,如式(6-5)所示。式中溫差的單位必須是℉,垂直高度L的單位必須是ft。平均自然對流系數(shù)hc定義為緊貼平板并限制熱流從平板流向四周環(huán)境空氣的氣模的熱特性。層流發(fā)生在高大平板的下邊沿。從層流到湍流的轉(zhuǎn)換通常在從板底邊向上約0.6m的距離處開始。湍流大約在大于0.6m的距離上發(fā)生,取決于板到周圍空氣的溫差。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式2)水平板的自然對流正面向上的受熱水平板或正面向下的冷卻板的簡化的層流自然對流方程可利用式(6-4)求得,如下式所示：當受熱水平板板面向下時,冷卻空氣在其上升之前必須沿底面流向板的外沿,如圖6.8所示。這會增大流阻而降低冷卻效率。一旦確定了對流系數(shù),能夠帶走的熱量就可以根據(jù)下式確定:第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式3)自然對流條件下的湍流當受熱表面與環(huán)繞的周圍空氣之間的溫差足夠大時,在自然條件下也能產(chǎn)生湍流條件。湍流條件下的對流系數(shù)可以僅考慮溫差近似求得。對于垂直受熱板來說,湍流的自然對流系數(shù)由式(6-8)給出。對于正面受熱的受熱水平板來說,湍流自然對流系數(shù)由式(6-9)給出。對于30cm高度的垂直板來說,通過令式(64)等于式(67),可以確定從層流到湍流時所需要的溫差。但這僅是近似值,更精確的數(shù)值必須利用格拉曉夫數(shù)來求?。哼@就意味著,當平板與周圍環(huán)境之間的溫差約為73℃時,30cm高的垂直板的對流熱傳遞將從層流變?yōu)橥牧鳌Ｈ绻甯咝∮?0cm,溫差必須大于73℃才能產(chǎn)生湍流條件。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式4)PCB的自然對流冷卻PCB常常安裝在頂部和底部完全敞開,允許冷卻空氣自由流動的機架內(nèi)。這些PCB應垂直安裝,且元件與相鄰PCB之間的自由流動距離的最小間隔約為1.9cm,以防止自然對流氣流流動困難或堵塞，如圖所示。PCB的前面和后面可以用于自然對流冷卻。這是因為,與PCB一面的邊界層的對流熱阻相比,通過薄的PCB的傳導熱阻很低。通過PCB的熱流將比通過各外表面附面層的熱流更容易流過。它可以利用一個15cm×20cm×0.15cm厚的垂直取向的PCB進行驗證。通過PCB的傳導熱阻如下：通過垂直PCB一面的附面層的對流熱阻為：通過PCB的自然對流熱阻是傳導熱阻的13.333/0.439即30倍。這就意味著,通過PCB的熱量將比流過其外表面邊界層的熱量更容易通過,因此在只有一面布滿元件的薄PCB上,PCB前后兩面的面積均可用于對流熱傳遞。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式6.3.2MCM組裝的PCB強迫風冷強迫對流熱傳遞通常使用風扇、鼓風機或氣泵提供通過熱表面的高速流體。高速流體形成從流體到熱表面的流動邊界層的低熱阻,它反過來增加了由流體帶走的熱量。強迫空氣冷卻系統(tǒng)在電子系統(tǒng)中能夠提供的熱傳遞速率,比利用自然對流和輻射所能獲得的熱傳遞速率要高10倍以上,通?？蓽p小空氣冷卻系統(tǒng)的尺寸,同時有較高的元件密度和較低的熱點溫度。1.風機的選擇及應用1)風機的分類風機按照它的工作原理及結(jié)構(gòu)形式可以分為兩類：軸流式風機和離心式風機。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，軸流式風機又可分為螺旋槳式、圓筒式和導葉式三種。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式螺旋槳式風機一般都作流通空氣用，也有作散熱器的冷卻風扇用的；圓筒式風機是在螺旋槳形葉輪的外面圍有圓筒，其葉尖漏損小，效率較前一種高；導葉式軸流風機的結(jié)構(gòu)與圓筒式相同，僅在出口或進口加裝導風葉，用以引導氣流，減小渦流損失，效率高。離心式風機由螺殼、轉(zhuǎn)動的葉輪及外部的驅(qū)動電機等主要部件組成，這類風機的特點是風壓高、風量小，常用于阻力較大的發(fā)熱元件或機柜的通風冷卻。離心式風機按葉片形狀，可分為前彎式、徑向式和后彎式三種，如圖所示。在葉輪速度和直徑相同的條件下，前彎式葉片產(chǎn)生的壓力最大，后彎式葉片產(chǎn)生的壓力最小。當風機尺寸受到限制時，應采用前彎式葉片的風機，但是其工作穩(wěn)定性較差。徑向式風機介于這兩種風機之間，其機械強度比另外兩種都好。徑向式風機和前彎式風機最適用于電子設備的冷卻。在給定轉(zhuǎn)速和尺寸的條件下,前彎式風機最好,因為它的壓力最大。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式2)風機的特性曲線風機的特性曲線是指風機在固定轉(zhuǎn)速下工作時,其壓力、效率與功率隨風量而變化的關(guān)系。一般以風量為橫坐標，壓力、功率或效率為縱坐標。下圖是前彎式離心式風機的特性曲線。由圖可以看出,風量隨風壓而定:當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，風量達最大值；當風機出口完全被堵住時，風量為零，靜壓最高。在此曲線中間有一點，其效率最高。欲使功率消耗最小,風機應在效率最高這一點附近工作。前彎式離心式風機在效率最高時，總壓力最大。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式3)風機的選擇選擇風機時,需要考慮的因素很多，其中主要參數(shù)是風量和風壓。根據(jù)通風冷卻系統(tǒng)所需的風量、風壓及環(huán)境條件選定風機的類型。要求風量大、風壓低的設備可采用軸流式風機，反之可選用離心式風機。在使用風機時，應使其噪音控制在允許的強度范圍內(nèi)。2.強迫風冷氣流的方向強迫空氣冷卻電子設備時，冷卻氣流的方向及風機的放置位置對冷卻效果影響很大。對于軸流式鼓風系統(tǒng)，風機位于冷空氣的入口處，把冷空氣直接吹進機箱內(nèi)，可以提高機箱內(nèi)的空氣壓力，并產(chǎn)生一部分渦流，改善換熱性能。但是,在鼓風系統(tǒng)中，風機電機的熱量也被冷空氣帶入機箱，影響散熱效果。對于軸流式抽風系統(tǒng)，由于是從機箱內(nèi)抽出受熱的空氣，故將減小機箱內(nèi)的空氣壓力。風機電機的熱量不僅不會進入機箱內(nèi),而且還可以從機箱的其它縫隙中吸入一部分冷空氣,提高冷卻效果。軸流式風機葉片安裝位置也將影響其冷卻效果。由氣流流場分布測量結(jié)果可知，葉片應裝在風道的下游，這時風道較長，氣流速度分布可以得到改善。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式如果風機安裝在一個受限制的位置，例如風道90°的彎曲處，則葉片應裝在氣流的下游。如果安裝在氣流的上游,則在出口處容易形成渦流，從而影響冷卻效果。上圖給出了兩種不同安裝形式的比較：圖(a)是葉片安裝在氣流的下游，速度分布較好，冷卻效果也較好；圖(b)是葉片安裝在氣流的上游，速度分布和冷卻效果較差。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式3.通風管道設計對于有專門通風管道的強迫通風系統(tǒng)，正確地設計和安裝通風管道對散熱效果有較大影響。通風管道設計應注意以下幾個問題:(1)通風管道應盡量短，縮短管道長度可以降低風道的阻力損失，制造和安裝簡單。(2)避免采用急劇彎曲的管道，以減小阻力損失。(3)避免驟然擴展或驟然收縮。擴展的張角不得超過20°,收縮的錐角不得大于60°。(4)為了取得最大空氣輸送能力，應盡量使矩形管道接近于正方形;矩形管道長邊與短邊之比不得大于6：1。(5)盡量使管道密封,所有搭接臺階都應順著流動方向。(6)對一些大機柜盡可能采用直的錐形風道。直管不僅容易加工，且局部阻力小;錐形直管能保證氣流在風道中不產(chǎn)生回流，可達到等量送風的要求。(7)進風口結(jié)構(gòu)應使其氣流的阻力最小，且要起到濾塵作用。(8)應采用光滑材料做通風道，以減小摩擦損失。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式4.大機柜中屏蔽插盒的通風冷卻一些大型電子設備，采用了大量的印制電路板。為了提高電子線路對電磁干擾的屏蔽能力，常常把印制板裝在一個用金屬板件制成的密封小盒內(nèi)，元件產(chǎn)生的熱量通過盒內(nèi)的對流、導熱和輻射傳給盒壁，再由盒壁傳給冷卻空氣，把熱量散掉。大型機柜內(nèi)部的強迫對流的換熱系數(shù)可按下式計算：考爾本數(shù)J取決于雷諾數(shù)Re及風道長寬比的大小。當200≤Re≤1800、風道長寬比等于或大于8時，風道為正方形時，當104≤Re≤1.2×105，湍流時，第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式重量流速：5.空心印制板的通風冷卻冷卻空氣常常帶有能夠橋接印制電路和電連接器接觸件的水汽，將影響電路板的電氣性能。因此，有的電子設備技術(shù)條件規(guī)定，不允許冷卻空氣直接與電子元器件或電子線路接觸，冷卻空氣通過由電子機箱壁形成的熱交換器以及由印制板背靠背形成的空心冷卻空氣通道，如圖所示。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式空心印制板風冷設計的主要問題是密封。要保證冷卻空氣不從印制板通道上泄露,有三種常用的密封方法：以錐形印制板邊緣與軟的密封墊界面接觸形成密封結(jié)構(gòu)；搭接界面，以密封墊密封印制板端邊的外表面；將有通道的印制板重疊在一起，四角用四個螺栓夾緊，印制板之間用O形密封圈進行密封。扁平肋片式冷板或熱交換器常用作電子設備的側(cè)壁。印制板安裝在兩側(cè)壁之間，是為了改進印制板熱傳導性能，常用鋁或銅片作為印制板的疊層。第六章PCB的熱設計6.3PCB散熱方式3.3MCM組裝的PCB微通道散熱空氣制冷成本低,便于應用,是熱管理中最常用的方法。但是，該方法的制冷能力局限在相對較低的芯片熱通量的情況，對于高熱流密度的電子器件，采用常規(guī)的空氣冷卻方法無法獲得較高的冷卻效果，須采用其它更高效的冷卻方