表面貼裝元器件的熱設計

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表面貼裝元器件的熱設計

對電源適配器的PCB設計來說，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生非常有害的影響，如高溫會危及半導體器件的結溫、損傷電路的連接界面、增加導體的阻值和形成機械應力損傷，所以確保發熱電子元器件所產生的熱量能夠及時排出是電源適配器PCB設計的一個重要方面。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的應用不斷拓展，使得熱設計工作更為復雜和困難。這是因為表面貼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，熱設計更為困難，所以近年來人們已將注意力轉向涉及表面貼裝技術的散熱問題。從冷卻系統的設計、散熱片的提供及嚴格的熱分析，都特別關注表面貼裝元器件的應用技術。

1．表面貼裝元器件的熱設計特點
表面貼裝技術與以往的通孔組裝技術相比較，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的具有熱傳導和熱輻射功能的散熱板（如銅板）相接觸，將熱量散發出去。而對表面貼裝元器件來說，僅能采用表面接觸的方式進行散熱，由于表面貼裝元器件的引腳非常細小，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載，也可以通過附著上常規的金屬壓制板材，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行散熱。而對表面貼裝元器件來說，雖然熱量的產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，從表面貼裝元器件上向外進行熱交換的通道受到了很大限制。
當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，環氧樹脂黏接劑將會形成高熱阻。此外，在對流或強迫風冷的通道中，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入氣流的傳熱界面層，導致了熱交換系數的降低。而當一個具有特定功耗的芯片安置在較小的表面貼裝組件內時，其產生的熱功率密度就增高，于是要求有較高的熱交換系數，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部和外部兩個方面來設計。
1）電源適配器內部熱設計方法
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行綜合的熱設計處理。例如，引腳數量多的方形塑料扁平封裝元器件（PQFP），可以通過增強其內在的冷卻性能，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部所增加的熱設計措施，將導致費用增加，除此以外，也影響到結構的可靠性。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計方法
為了能夠將表面貼裝元器件上的熱量散發掉，在熱設計中采用冷卻技術和通孔工藝兩種方式。冷卻技術包括熱管理、自然對流冷卻、強迫空氣冷卻、液體冷卻、熱交換、冷板、焊接散熱板、采用熱管、溫差制冷、微型風機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采用鋁材（擠壓成形、波紋狀板材），此外還有實心銅散熱器。目前，正引入采用由金屬填充的、具有熱傳導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，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行加固。此外，為了能夠形成較佳的黏接厚度和為了避免膠粘層不均勻，散熱片的底部應該采用厚為0.08～0.15mm的導向軌道。散熱片的高度應在滿足空間尺寸限制的條件下，達到較大限度的允許值。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到較高值。黏接散熱片的材料較好采用柔性的、填充有銀粉的環氧黏接劑。
對于涉及高熱度的特殊應用場合，或者為了達到較佳的高速工作狀態，必須對元器件進行冷卻，使之低于環境溫度，其中溫差制冷是一項有效的技術手段。一般情況下溫差制冷較復雜，但溫差制冷可以滿足定點定位的冷卻需要，并且它幾乎可以滿足各種尺寸的需求。在接觸器件的一側形成一個制冷端，熱量從發熱的一端散發出去。
從表面貼裝元器件頂部所散發的熱量，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，可以很方便地將元器件上所散發的熱量傳遞到袋子的金屬化塑料表面。當散熱袋與散熱體（如器件殼體壁）相接觸時，會獲得較佳的效果。
上述充滿液體的柔性散熱器已經有效地達到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。熱管加強了散熱片的熱交換能力，并能適應高功率密度的場合需要。典型的熱管冷卻結構是采用熱管和冷卻散熱片的組合體。它被設計成能夠固定在大型和微型元器件的頂部進行散熱，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，在強迫風冷的狀態下能夠耗散掉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現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，也可再在其底部進行冷卻以獲得冷卻效果的進一步加強，或者采用底部冷卻來替換頂部冷卻。底部冷卻較簡便的方式是在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。一個常用的工藝方式是在元器件下面提供一定數量的通道，這些通道被制成通孔形式，焊錫被灌注在其中構成熱通道，熱通道將元器件底部的熱量傳遞到PCB另外一個側面的冷板上進行熱交換。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一側的情形。對簡單傳導來說，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構，它能夠容納流動的液體，從而加強了熱交換作用。
冷板同樣也能同熱管結合在一起，熱管能夠將熱量從PCB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熱絕緣固態金屬板也是一個非常有效的散熱設計方法。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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| 發布時間：2019.06.09 來源：電源適配器廠家

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