一种ＰＣＢ设计中的散热设计方法技术

本发明专利技术公开了一种ＰＣＢ设计中的散热设计方法，包括：步骤一、分析并确定拟设计的ＰＣＢ中会产生大量热损耗的元器件及其封装选型；确定ＰＣＢ上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在ＰＣＢ上需要的热损耗的功耗；步骤二、分析元器件与ＰＣＢ焊接接触方式、ＰＣＢ的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式；步骤三、建立模型以模拟ＰＣＢ的散热状况并分析各种散热方式；步骤四、根据模型计算结果设计ＰＣＢ的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使芯片在所述ＰＣＢ上工作时能保持正常工作温度。本发明专利技术方法通过建立一个简单的模型，改进了对ＰＣＢ的设计，使元件散发出来的热量，尽可能快的均匀到达ＰＣＢ表面，使ＰＣＢ在不依赖外部散热器的情况下较好的散热，保持工作的稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及PCB (印刷电路板)设计领域，特别涉及到一种PCB设计 中的散热设计方法，可应用于硬件电路中的PCB设计。技术背景通常条件下，热量的传递包括三种方式传导、对流和辐射。传导是 指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对 流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接 向周围空间释放热量。而在传统的散热设计中，散热的措施有散热器和风 扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯 片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体， 它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大 的热能。风扇的使用也分为两种形式， 一种是直接安装在散热器表面，另 一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。然而当前电子设 计正朝着小型化，便携式方向发展。特别在便携式电子产品中，由于电子 产品的体积结构限制，使得传统的利用散热片，利用散热风扇的方法己无 法在产品中实现。而另一方面，由于IC设计的发展和消费者的要求的提 高，在便携式设备中CPU的主频越来越高，电源需求也越来越高，这导致 了散热问题成了约束便携式产品发展的 一个瓶颈，-定程度上限制了便携 式产品的发展。同时，处理不好散热问题，会对整个单板上的硬件电路造 成不稳定或毁坏的可能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种PCB设计中的散热设计方法，在不依赖外加散热片、散热风扇等传统散热装置的前提下，尽可能的将PCB本身 的散热问题处理好。为解决上述技术问题，本专利技术方法包括步骤一、分析并确定拟设计的PCB中会产生大量热损耗的元器件及其封装选型；确定PCB上的芯片正常 工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热损耗的功 耗；步骤二、分析元器件与PCB焊接接触方式、PCB的层叠结构和制作材料 以及对应的各种散热方式；步骤三、建立模型以模拟PCB的散热状况并分析 各种散热方式；步骤四、根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、 层叠结构，使芯片在所述PCB上工作时能保持正常工作温度。上述芯片正常 工作温度指芯片在空气隔离环境下正常工作的最高温度，芯片最高极限温 度和芯片热损耗的功耗由芯片厂家给出；上述步骤三建立模型指以一个 电阻网络模拟热阻网络，并用任意的电路仿真工具来进行仿真计算。上述 步骤四中根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构为根据模拟电阻网络计算电阻值对于整个网络上压差的影响，其值即热阻值， 由该热阻值确定需要的设计方式，通过铜箔铺设、工艺要求、层叠结构获 得需要的热阻。本专利技术方法通过建立一个简单的模型，改进了对PCB的设计，使元件散 发出来的热量，尽可能快的均匀到达PCB表面，使PCB在不依赖外部散热器 的情况下较好的散热，保持工作的稳定。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图-,图2是一个常见PCB的结构示意图；图3是对图2中PCB建立的模型结构示意图；图4是本专利技术一个具体实施例中的模型计算；图5是图4的模型改善效果示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术方法作进一步详细的说明。 如图1所示，本专利技术方法主要是由以下几个方面组成的A、 分析一个PCB设计上会产生大量热损耗的元器件；确定PCB上的 芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热 损耗的功耗；B、 分析这些元器件与PCB焊接接触方式，以及PCB的层叠结构和制 作材料，这些因素导致的各种热导方式，由以上种种建立一个简单的模型来模拟PCB散热状况；C、 根据散热模型在PCB上设计最好的热传导方式，使芯片在PCB上 的保持一定的温差以满足芯片的最高工作温度；在步骤A所要做的就是分析在电路设计中大功耗的器件，这类器件将 在PCB产生大量的热损耗，类似于CPU芯片，电源芯片， 一些模数混合的 编解码芯片等等。在步骤A中，还包括了对这些电路芯片的封装选型，不同的封装对于 在PCB设计时的影响是差异很大的。通常目前的一些涉及到大功率的芯片 设计，封装通常会有散热焊盘(Power PAD)的设计。相对于芯片而言，通常会有一个关于封装热阻的概念，这个热阻由芯片的封装形式来决定， 其决定了该芯片在封装上的散热良好性。同时，芯片的通常有一个在隔离 空气环境下的工作温度和最大极限点温度，通常情况下，我们需要让芯片 正常工作就需要使芯片的工作温度等于最大极限温度减去芯片封装上的 温差和PCB上的温差之和。步骤B中需要分析这些元器件和PCB的焊接接触方式，以及PCB的层 叠结构和制作材料。图2是一个常见PCB的结构示意图，如图2所示芯片同PCB连接处 主要是两个传导通路1.芯片引脚和PCB的表层铜箔连接，2.芯片的散热 片同PCB上散热焊盘连接。而与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热 的计算有一个最基本的公式温差二热阻X功耗(公式1)，其中热 阻二 L/(K X W X t)， L为路径长度，K为材料热导因子，W为路径宽 度，t为材料厚度(公式2)。在PCB中，常用到的材料的热导因子如下 所示(单位W/(in°C)):空气0.0007，铝 4.44，铜 9， FR4 (Flame Resistant 4) 0.0064， Solder (焊锡)63/67 1;当芯片功耗在PCB 上遇到的热阻越小，就说明它的散热路径效果越好越快。在PCB上，热量 传输主要有3个传导路径水平方向传输，其热阻可由公式2求得；垂直方向传输，同样可由公式2求得；通过散热过孔传输，过孔的热阻可由热阻二L/(KXAS)(公式3)求得；AS为过孔的孔环面积；在PCB的表面， 通过空气对流来进行散热，可以有这样的公式温差AT二P/(hXA)，其 中P为功耗，h为对流热因子，A为表面面积；空气的对流热因子h = 0. 0075 W/(in2 。C)(在没有空气流动的情况下)，其热阻=1/(hXA)。步骤C中，通过步骤B的分析，对于大功耗芯片要在电路板上满足散 热要求，首先要考虑在传导路径上不同介质层面的连接热阻尽可能的小， 利于传热，同时在同层面的传热介质上使得温差足够的大，满足将芯片功 耗转化消耗在同层热阻上，而保证电路板的整体温度保持在一定水平。 这里可使用一个简易的模型来建构PCB板上的热设计 由于散热计算的公式和欧姆公式比较类似，可以用一个电阻网络来构 建一个PCB上的散热模型，将热阻看作电阻，功耗看作电流，温差看作在电阻上的压降，于是就可以用一个电阻网络来模拟表示PCB的散热设计，其中芯片要散去的功耗就用 一个电流源来代替，因而可以用 一个电路分析软件来构建这样一个电路网络，如图3所示，通过分析在这个电路上的各 个节点上的电压，也即是温差，即可来进行散热设计。当然，必须指出， 电路板环境是个比较复杂的环境，构建这个简单模型的时候，本专利技术只考 虑散热的作用较大的一些因素而忽略一些作用不明显的因素。有了这个模 拟的模型，就可以较准确的计算出在一个电路板上，对于一个芯片，需要 多大的散热面积和怎样的散热路径来满足芯片的工作温度。通过调节电阻 网络的值来设计PCB板上的走线方式，铜箔铺设，工艺要求，层叠结构等 各方面的要求。具体实现PCB设计时要注意以下几点1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＰＣＢ设计中的散热设计方法，其特征在于，包括，步骤一、分析并确定拟设计的ＰＣＢ中会产生大量热损耗的元器件及其封装选型，所述元器件为ＣＰＵ芯片或电源芯片或模数混合的编解码芯片；确定所述ＰＣＢ上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及所述芯片在ＰＣＢ上需要的热损耗的功耗；步骤二、分析所述元器件与所述ＰＣＢ焊接接触方式、所述ＰＣＢ的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式；步骤三、建立模型以模拟所述ＰＣＢ的散热状况并分析各种散热方式；步骤四、根据所述模型计算结果设计所述ＰＣＢ的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使所述芯片在所述ＰＣＢ上工作时能保持正常工作温度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳合，潘杰，黄娟，王新成，杨海，顾群楠，刘刚，周逢华，徐晖，
申请(专利权)人：昆山杰得微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]