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表面貼裝元器件的熱設(shè)計

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表面貼裝元器件的熱設(shè)計

對電源適配器的PCB設(shè)計來說，尺寸越小越好，在推動外形尺寸小型化的同時，人們要求電源適配器電路具有更強(qiáng)的功能和更高的可靠性。但是，組裝密度的不斷提高形成了局部的高熱密度。由于高溫會對電源適配器的性能產(chǎn)生非常有害的影響，如高溫會危及半導(dǎo)體器件的結(jié)溫、損傷電路的連接界面、增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng)力損傷，所以確保發(fā)熱電子元器件所產(chǎn)生的熱量能夠及時排出是電源適配器PCB設(shè)計的一個重要方面。電源適配器的可靠性及其性能，在很大程度上取決于是否具有良好的熱設(shè)計，以及所采取的散熱措施是否有效。

由于近年來表面貼裝技術(shù)的應(yīng)用不斷拓展，使得熱設(shè)計工作更為復(fù)雜和困難。這是因?yàn)楸砻尜N裝元器件與以往的矩形扁平封裝元器件相比較，物理形狀和尺寸大小有著顯著的不同，表面貼裝元器件更趨小型化、微型化。因此，表面貼裝元器件的冷卻比起以往所采用的通孔元器件（如雙列直插式元器件）而言，在PCB上所占的空間更趨緊湊，進(jìn)一步增加了熱密度。

表面貼裝元器件相對于其他類型的元器件而言，熱設(shè)計更為困難，所以近年來人們已將注意力轉(zhuǎn)向涉及表面貼裝技術(shù)的散熱問題。從冷卻系統(tǒng)的設(shè)計、散熱片的提供及嚴(yán)格的熱分析，都特別關(guān)注表面貼裝元器件的應(yīng)用技術(shù)。


1．表面貼裝元器件的熱設(shè)計特點(diǎn)
表面貼裝技術(shù)與以往的通孔組裝技術(shù)相比較，所采用的熱交換方式的選擇余地很小。對采用通孔組裝技術(shù)的雙列直插式元器件而言，由于具有接地引腳和電源引腳可與PCB的具有熱傳導(dǎo)和熱輻射功能的散熱板（如銅板）相接觸，將熱量散發(fā)出去。而對表面貼裝元器件來說，僅能采用表面接觸的方式進(jìn)行散熱，由于表面貼裝元器件的引腳非常細(xì)小，因而對熱流而言，其流通截面積受到了很大的限制。
通孔元器件的外形尺寸比起表面貼裝元器件來說大得多，即使通孔元器件上具有高熱負(fù)載，也可以通過附著上常規(guī)的金屬壓制板材，或者采用具有足夠散熱表面積的、擠壓成形的鋁散熱片來進(jìn)行散熱。而對表面貼裝元器件來說，雖然熱量的產(chǎn)生通常要小于通孔元器件，但是由于表面貼裝元器件的物理尺寸較小，并且缺乏專門的散熱片黏接技術(shù)，從表面貼裝元器件上向外進(jìn)行熱交換的通道受到了很大限制。
當(dāng)在表面貼裝元器件上黏接一塊散熱片時，尤其是對采用塑料封裝的元器件來說，環(huán)氧樹脂黏接劑將會形成高熱阻。此外，在對流或強(qiáng)迫風(fēng)冷的通道中，由于表面貼裝元器件的外形較小，因此表面貼裝元器件不能有效地進(jìn)入氣流的傳熱界面層，導(dǎo)致了熱交換系數(shù)的降低。而當(dāng)一個具有特定功耗的芯片安置在較小的表面貼裝組件內(nèi)時，其產(chǎn)生的熱功率密度就增高，于是要求有較高的熱交換系數(shù)，才能保持與通孔元器件相一致的溫度。

2．表面貼裝元器件的熱設(shè)計方法
為了能夠有效地解決表面貼裝元器件的散熱問題，可以從表面貼裝元器件的內(nèi)部和外部兩個方面來設(shè)計。
1）電源適配器內(nèi)部熱設(shè)計方法
為了提高表面貼裝元器件的熱性能，可以對表面貼裝元器件本身進(jìn)行綜合的熱設(shè)計處理。例如，引腳數(shù)量多的方形塑料扁平封裝元器件（PQFP），可以通過增強(qiáng)其內(nèi)在的冷卻性能，使得熱傳遞性能大為改善。其中包括使用銅引腳框架、增加引腳框的面積和增加表面貼裝元器件內(nèi)的傳熱通道等方法將其與引腳框連接起來，將熱量通過引腳框傳遞到表面貼裝元器件的外表面。采用了這些熱設(shè)計措施，將增大方形塑料扁平封裝的表面貼裝元器件的功耗散發(fā)量，可以從原來的2W左右增至3W以上。
采用增加芯片尺寸、增加銅材制成的電源線和接地線的面積（對多層陶瓷組件而言）及降低塑料的厚度等表面貼裝元器件內(nèi)部所增加的熱設(shè)計措施，將導(dǎo)致費(fèi)用增加，除此以外，也影響到結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，目前正在開展采用外部散熱片和冷卻措施的研究工作。
2）電源適配器外部熱設(shè)計方法
為了能夠?qū)⒈砻尜N裝元器件上的熱量散發(fā)掉，在熱設(shè)計中采用冷卻技術(shù)和通孔工藝兩種方式。冷卻技術(shù)包括熱管理、自然對流冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、液體冷卻、熱交換、冷板、焊接散熱板、采用熱管、溫差制冷、微型風(fēng)機(jī)和充滿液體的冷卻袋等。在表面貼裝元器件的頂部安裝散熱器，可以顯著地增加表面貼裝元器件的散熱面積。當(dāng)氣流方向不明確時，在表面貼裝元器件上黏接正交的鋁散熱片是非常有效的方法。
表面貼裝元器件所采用的散熱器絕大多數(shù)采用鋁材（擠壓成形、波紋狀板材），此外還有實(shí)心銅散熱器。目前，正引入采用由金屬填充的、具有熱傳導(dǎo)性能的聚合物材料制造的散熱器。這種散熱器具有適合于塑料器件的熱膨脹系數(shù)，能夠提供較高的熱傳遞性能，可以通過黏接膠粘貼在表面貼裝元器件上。
表面貼裝元器件上的散熱器能夠增加熱耗散的面積，散熱器向外凸出的高度很小，散熱片的覆蓋面能夠占表面貼裝元器件長度的30％～50％，且不會妨礙焊點(diǎn)的檢查。在組件的散熱片位置，通過在其突出部位增加一個擠壓成形的凸出物進(jìn)行加固。此外，為了能夠形成最佳的黏接厚度和為了避免膠粘層不均勻，散熱片的底部應(yīng)該采用厚為0.08～0.15mm的導(dǎo)向軌道。散熱片的高度應(yīng)在滿足空間尺寸限制的條件下，達(dá)到最大限度的允許值。在滿足氣流條件的情況下，散熱片和散熱圓柱的密度同樣也要達(dá)到最高值。黏接散熱片的材料最好采用柔性的、填充有銀粉的環(huán)氧黏接劑。
對于涉及高熱度的特殊應(yīng)用場合，或者為了達(dá)到最佳的高速工作狀態(tài)，必須對元器件進(jìn)行冷卻，使之低于環(huán)境溫度，其中溫差制冷是一項有效的技術(shù)手段。一般情況下溫差制冷較復(fù)雜，但溫差制冷可以滿足定點(diǎn)定位的冷卻需要，并且它幾乎可以滿足各種尺寸的需求。在接觸器件的一側(cè)形成一個制冷端，熱量從發(fā)熱的一端散發(fā)出去。
從表面貼裝元器件頂部所散發(fā)的熱量，同樣也可以通過液體所形成的柔性散熱器來完成。例如，采用內(nèi)部注滿全氟化碳液體的金屬化塑料袋作為柔性散熱器，袋中的受熱液體通過熱對流傳導(dǎo)，可以很方便地將元器件上所散發(fā)的熱量傳遞到袋子的金屬化塑料表面。當(dāng)散熱袋與散熱體（如器件殼體壁）相接觸時，會獲得最佳的效果。
上述充滿液體的柔性散熱器已經(jīng)有效地達(dá)到2.3W/cm2以上的功率耗散，一般被使用在自然對流受到約束或不能直接采用強(qiáng)迫冷卻的特殊場合。
熱管比起簡單的帶有散熱片的散熱器來說，所占用的空間要多，但是其冷卻能力卻有顯著的提高。熱管加強(qiáng)了散熱片的熱交換能力，并能適應(yīng)高功率密度的場合需要。典型的熱管冷卻結(jié)構(gòu)是采用熱管和冷卻散熱片的組合體。它被設(shè)計成能夠固定在大型和微型元器件的頂部進(jìn)行散熱，在豎直方向采用在銅基層中埋置入熱管的方式，該熱管一直延伸到散熱器上。對32mm×32mm正方形的表面貼裝元器件而言，采用高度大于25.4mm的散熱器，在強(qiáng)迫風(fēng)冷的狀態(tài)下能夠耗散掉60W的熱量。同樣，也可以通過直接在PCB上安裝小型散熱器來實(shí)現(xiàn)單個元器件或一組元器件的冷卻，這種小型散熱器的高度能夠小于25.4mm。
除表面貼裝元器件頂部的冷卻以外，也可再在其底部進(jìn)行冷卻以獲得冷卻效果的進(jìn)一步加強(qiáng)，或者采用底部冷卻來替換頂部冷卻。底部冷卻最簡便的方式是在PCB的底部粘上一塊金屬板，采用這種方式，元器件底部的熱量必須通過PCB自身的厚度才能得以傳導(dǎo)。一個常用的工藝方式是在元器件下面提供一定數(shù)量的通道，這些通道被制成通孔形式，焊錫被灌注在其中構(gòu)成熱通道，熱通道將元器件底部的熱量傳遞到PCB另外一個側(cè)面的冷板上進(jìn)行熱交換。但金屬板的使用受到了一定的限制，它只能適用于表面貼裝元器件安裝在PCB一側(cè)的情形。對簡單傳導(dǎo)來說，只使用硬鋁制造的金屬板。但對散熱要求較高的場合來說，可以采用空心的冷板結(jié)構(gòu)，它能夠容納流動的液體，從而加強(qiáng)了熱交換作用。
冷板同樣也能同熱管結(jié)合在一起，熱管能夠?qū)崃繌腜CB的中間傳遞到板的邊緣，然后把熱量傳遞到殼體壁上。扁平的熱管被夾持在兩層薄薄的、經(jīng)過陽極氧化處理的鋁板之間，從而形成了一塊具有良好熱交換能力的冷板，該組件能夠被制成各種各樣的形式。
在采用表面貼裝元器件的場合，采用具有電路的超薄導(dǎo)熱絕緣固態(tài)金屬板也是一個非常有效的散熱設(shè)計方法。它使得大功率表面貼裝元器件的冷卻問題簡單化。絕緣層被安置在形成電路走線的銅箔外層上，該金屬板可采用銅材也可以采用鋁材。

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| 發(fā)布時間：2019.06.09    來源：電源適配器廠家
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