IPC-2221A-2003中文版-印制板设计通用标准 - 第60页

辐射系数相同。无光泽或暗表面比光亮或有光泽表面的辐射更强( 见表7-2)。相互靠近的装置、元件等会彼此吸收对方的辐射能。如果辐射为主要传热方式、各过热点必须彼此分开。 7.1.3 对流对流传热方式最复杂。它涉及流体的混合( 通常为空气)的传热。从物体到流体对流的热流速度是物体表面积、 …

6.4.6 电感事项

电感是导体的一种性能、

当电流流过导体中使产生磁场储存能量作用。

当电流具有高频成分时、引线和线路的自感变

得明显、会产生瞬态或开关噪声。这些瞬态与

电源/接地回路中的电感有关、电路设计必须

尽可能降低这种电感。

降低开关噪声的通用技术是使用去耦电容、它

可以从离集成电路(IC)门电路比电源更近的

点提供电流。甚至于这些电容设计进电路后、

电容的位置也很重要。如电容引线太长、自感

就会过高而产生开关噪声。印制板的去耦一般

由靠近IC的分立电容来完成。在较高I/O封装

中、开始趋向于将去耦电容安在封装内。这样

有两个优点、可以不用给电容占用板子面积和

减小电容互连大小。

另一考虑是使用较小直径导通孔及其相关连接

盘尺寸。导通孔由0.5mm[0.020in]改为0.3mm

[0.012in]、会降低线路中的附加电感。更小

直径导通孔将有进一步改善。

将电源层和接地层距离靠近也能用作高频去耦

电容。这也能减少去耦电容的占用空间。

7 热学管理

本章可作为温度控制和散热大纲。结合适当的

热分析(见IPC-D-330)的材料、会大大降低热

应力、并提高元件、焊接件和印制线路板的可

靠性。

热学管理的基本目标是确保所有电路元件、特

别是集成电路、保持在各自的功能及最大的容

许限度之内。操作温度限给定了元件封装(套)

外围温度范围、在此范围内使电子线路能正常

工作。

为确保合理的印制板组装件设计、必须了解印

制板组装中用到的冷却技术。民用品可使用直

接空冷(即让冷空气与印制板组件接触)。

在恶劣和严酷的环境中应用、印制板组件必须

使用间接冷却。这些应用中、组件安装到有空

冷或液冷的构件上、通过传导给热交换面冷却

元件。在印制板组件上这些设计必须用适当的

金属散热片。元件也需要适当的安装和连接。

为确保印制板的合理设计、必须提供热耗散图

以帮助进行分析和热学设计。

7.1 冷却机理

电子设备内产生的热量消散

是通过三种基本传热方式交互完成的。三种传

热方式为: 传导、辐射和对流。这三种传热方

式能够、也经常能同时起作用。因而任何热学

管理方法都要最大利用它们自身的相互作用。

7.1.1 传导

传热的第一种方式是传导。各

种材料的热传导作用不同。材料的热传导与它

的导热系数(K)、导热方向的横截面积及温差

成正比。热传导与导热长度和材料厚度成反比

(见表7-1)。

7.1.2 辐射

热辐射是通过主要是红外(IR)

波长的电磁辐射传热。在真空环境中、例如太

空中、辐射是物体唯一的传热方式。

辐射传热是热物体表面与它的热辐射系数、它

的有效表面积及能量是绝对温度四次方的函

数。

热辐射系数是对非“黑体”表面的降低系数。

它的定义为给定物体的辐射能与黑体辐射能之

比、以黑体的辐射系数为单位(1.0)。物体的

视觉颜色与其作为“热黑体”没

什么关系。阳

极氧化的铝、不管是黑色、红色或蓝色、它的

表7-1 材料类型对传导的影响

材料

热传导系数(K)

Watts/m ºC cal/cm ºC • s

静止空气 0.0276 0.000066

环氧 0.200 0.00047

导热性环氧 0.787 0.0019

铝合金1100 222 0.530

铝合金3003 192 0.459

铝合金5052 139 0.331

铝合金6061 172 0.410

铝合金6063 192 0.459

铜 194 0.464

低碳钢 46.9 0.112

2003年5月 IPC-2221A

辐射系数相同。无光泽或暗表面比光亮或有光

泽表面的辐射更强(见表7-2)。

相互靠近的装置、元件等会彼此吸收对方的辐

射能。如果辐射为主要传热方式、各过热点必

须彼此分开。

7.1.3 对流

对流传热方式最复杂。它涉及

流体的混合(通常为空气)的传热。

从物体到流体对流的热流速度是物体表面积、

温差、流体流速及流体的某些性质的函数。

任何流体与热表面接触其的密度会减小而使其

上升。这种现象产生的循环称为自然对流。空

气的流动可以在这种方式下或在一些外部人工

设备例如风扇或鼓风机作用下产生。强制对流

的传热效率可以是自然对流的十倍。

7.1.4 ⾼度效应

对流和辐射是向周围空气

传热的基本方式。在海平面上电子设备的散热

70%靠对流、30%靠辐射。空气稀薄时、对流作

用下降。在5200m[17060.37ft]处对流散热会

少于辐射散热的一半。在作高空应用设计时要

考虑这个因素。

7.2 散热事项

给一高热辐射印制板组件散

热的多层板设计中宜考虑使用:

• 外散热片(一般为铜或铝);

• 内散热片;

• 特殊散热架;

• 框架连接技术;

• 冷却液和散热结构;

• 热导管;

• 散热夹芯基材。

7.2.1 单个元件散热

单个元件散热可使用一

系列不同技术。本标准8.1.10给出了一些用于

需要特殊散热单个元件的散热设备。另外宜考

虑:

• 散热片安装(构件或焊接);

• 传热的粘接剂、胶或其它材料;

• 焊接温度要求;

• 散热片清洗要求。

7.2.2 印制板散热⽚的热学管理事项

印制板

元件放置时必须确定下列条件:

1. 散热片固定到印制板上的方法(例如粘接

剂粘接、铆接、螺钉等)。

2. 散热片和印制板组装厚度并留出适当的元

件引线头。

3. 自动化元件插入间距(见图7-1)。

4. 散热片材料及材料性能。

5. 散热片涂饰(例如阳极氧化、化学转化膜

等)。

6. 元件固定方法(例如定位架、螺钉、粘接

等)。

7. 传热途径和传热速率。

8. 可生产性(例如装配方法、清洗方法等)。

9. 印制板散热片固定面上的电路与散热片之

间所用绝缘材料。

10. 与一些裸露电路(例如元件焊盘和电路走

线)边间距、定位孔孔位和尺寸。

11. 散热片/印制板组件结构有关的散热片外

形。

12. 散热片宜全面支护元件。装配或焊接过程

中不允许元件有倾倒的机会。

表7-2 些材料的热辐射系数

材料和表⾯修饰热辐射系数

铝片、抛光 0.040

铝片、粗糙 0.055

铝阳极氧化、任意颜色 0.80

黄铜、商品 0.040

铜、商品 0.030

铜、机加工 0.072

铜、轧制板 0.55

钢、氧化 0.667

镍片、无光泽 0.11

银 0.022

锡 0.043

油漆、任意颜色 0.92 – 0.96

清漆、任意颜色 0.80 – 0.95

IPC-2221A 2003年5月

散热片设计应避免产生湿气阱并能进行焊后

清洗。通过在散热片上做可接近槽代替TO-

204-AA、TO-213-AA和类似的引线贯穿散热片

并焊在印制板上的封装下面的圆形隔离孔、就

可以解决这些问题。

能使用标准元件封装(例如双排直插式封装DIP

和轴向引线元件)时、通孔印制板组件散热片

一般是阶梯形结构。推荐阶梯形散热片是因为

它的设计和制作相对简便。图7-1是便于自动

化元件插入的散热片和元件间的标准间距。

某些印制板组件(例如特别电源和其它模拟设

计)用到许多不同元件类型。这些模拟电路的

线路功能非常依赖于元件的布局。对模拟设

计、散热片有时不能设计成阶梯形结构、则宜

按可生产性进行设计。减少需要独特形状切割

缺口的数量和需改变散热片厚度(需要铣削或

层压)的区域数、会提高散热片的可生产性。

使用机械加工的散热片时、转角处要努力用

尽可能大的半径来提高可生产性(例如3.0mm

[0.118in]半径的制作费用比6.0mm[0.236in]

高的多)。在所有情况下、不能用梯形的类似

散热片的设计宜与印制板同时设计(而不是在

照相底版完成后设计)、并且宜检查金属制作

和印制板装配的可生产性。

散热片上的镀覆孔散热盘宜比孔大 2.5mm

[0.0984in]、它包括电气间隔及不重合度公

差。

7.2.3 印制板上安装散热⽚

印制板上安装散

热片按下列步骤完成(按制造优先顺序)。如印

制板和散热片作为组装件购买、制造商可以有

其它选项。表7-3列出了选项。

装配方法具体如下:

1. 机械固定: 铆接是首选的紧固连接方法、

但必须小心选择铆钉(实心或空心)及铆

接、避免损坏层压板。如部件想拆卸、则

宜用螺钉。紧密接触对抗振或提高传热是

必要的。机械固定同时使用粘接剂会促进

翘曲、但在振动条

件下会有用。环氧干膜

粘胶剂比胶水好、因为其粘接厚度和挤出

易于控制。粘接温度要尽可能低、以减小

翘曲。

2. 膜型粘接剂: 粘胶片是用冲模或机械切割

成散热片外形。相应固化期和散热片/印制

板组件的翘曲是影响可生产性的问题。膜

型粘接剂参见4.2.3。

3. 胶水: 因存在辅助固化期和散热片/印制板

组件翘曲的应用困难、胶水存在可生产性

问题。4.2.2中推荐的结构粘接剂很适合于

散热片粘接

应用。

粘接厚度规范涉及接触面(粘合层)和可生产

性的协调。工艺参数(例如表面光洁度或清洁

度)、材料变形和表面凸起(特别是2盎斯铜的

线路)会使粘合层减小。更多粘胶会增强连

接、但过多则会从散热片下流出、污染焊接盘

和镀通孔。多数情况下、占(散热片)75%粘合

就足够了、但必须小心避免湿气或焊剂积留。

粘接剂粘合会提高印制板组装件的(比仅由机

械固定得到的为高)固有振动频率。使用粘接

剂也会改善传热。

7.2.4 SMT板散热⽚专⽤设计

表面组装

散热片会显著影响表面组装件的热膨胀系

数 (CTE)。使用高CTE的材料会损害表面组装

元件焊点的可靠性、但这与表面组装件的工作

环境有关。实验室环境下表面组装件不会有明

显温度变化、可允许使用象1100铝的散热片材

料。大多数环境要求使用低CTE的散热片材料

以延长焊点寿命。

用于表面组装的散热片是做在印制板内(典型

的是层压在印制板中的铜-镍铁合金-铜层)或

是有一面或两面粘接有表面组装印制板的固定

板。

散热片连接到两个印制线路板上、需要一适应

性粘

胶片来减弱散热片和印制板CTE的差异、

并作为减振和传热材料。整体粘胶片提供可检

验性材料、可让装配工检查散热片和印制板的

电连接允许的针孔。宜避免在散热层下设计导

通孔。大多数胶粘接剂体系在固化循环时使用

2003年5月 IPC-2221A