PCB上的器件熱耦合與散熱解決方案(圖文)
任何散熱解決方案的目標都是確保設備的工作溫度不超過其制造商規定的安全限值。在電子工業中，這個工作溫度被稱為器件的“結溫”。例如，在處理器中，這個術語字面上指的是電能轉換為熱量的半導體結。
為了保持工作，熱量必須以確保可接受的結溫的速率流出半導體。當熱流從整個器件封裝的結處移動時，這種熱流遇到阻力，就像電子在流過導線時面對電阻一樣。在熱力學方面，這種電阻稱為導電電阻，由幾個部分組成。從結點開始，熱量可以流向元件的殼體，可以放置散熱器。這被稱為ΘJC，或結至殼體的熱阻。熱量也可以從組件的頂部表面流出并流入板中。這被稱為結到電路板電阻，或ΘJB
ΘJB定義為當熱路徑僅從結點到電路板時，結點和電路板之間的溫差除以功率。為了測量ΘJB，器件的頂部是絕緣的，冷板連接到電路板邊緣（圖1）。這是真正的熱阻，這是器件的特性。唯一的問題是，在實際應用中，人們不知道從不同路徑傳輸了多少功率。
圖1：橫截面圖環形冷板RΘJB 2 。
ΨJB是使用多個傳熱路徑時的溫差的度量，例如組件的側面和頂部董事會。這些多路徑是實際系統中固有的，必須謹慎使用測量。
由于組件內有多個傳熱路徑，單個電阻不能用于精確計算結溫。從結到環境的熱阻必須進一步細分為電阻網絡，以提高結溫預測的精度。簡化的電阻網絡如圖2所示。
圖2：結至環境電阻網絡。
Joiner等人 1 完成的先前工作將ΘJMA與電路板溫度相關聯（見公式1）。 ΘJMA是在評估所有傳熱路徑時從結到環境的總熱阻。在這種情況下，ΘCA由散熱器熱阻以及器件和接收器之間的界面電阻表示。
表1列出了典型BGA組件的JEDEC參數。這些用于以下示例計算中：
ΘJMA=移動空氣熱阻的結點
ΘJB=結至電路板的熱阻
ΘJC=結至殼體的熱阻
ΘCA= Case環境熱阻
TBA =電路板溫升
參數說明值單位ΘJC熱電阻 -
結到外殼0.45°C/WΘJB熱阻 -
結至電路板2.6°C/W TDP熱設計功率20 W Tj最高結溫105°C
表1：典型熱封裝規格
隨著電路板布局變得越來越密集，需要設計出使用盡可能少空間的優化散熱解決方案。簡而言之，沒有余量允許過度設計的散熱器具有緊密的元件間距。考慮板耦合的影響是這種優化的重要部分。只有在考慮結殼到殼體的傳熱路徑時才存在使用超大尺寸散熱器的可能性。
為確保在55°C環境溫度下的105°C結溫，典型元件（見表1）需要2.05°C/W的散熱器電阻（如果忽略電路板導通）。當考慮電路板導通時，假設電路板溫度與空氣溫度相同，實際結溫可能低至74°C。這表示散熱片大于必要的溫度。
從這個例子可以看出，必須考慮來自元件連接點的所有傳熱路徑。僅使用ΘJC和ΘCA值可能導致大于最佳的散熱器，并且可能無法準確預測工作結溫。使用建議的相關性也可以預測從實驗中得知電路板溫度時的結溫，如圖3所示。
圖3：電路板溫度升高對結溫的影響。
當存在多個元件時，情況變得比僅使用電路板上的單個元件復雜得多。通過PCB的組件之間存在傳導耦合，以及組件和相鄰卡之間的輻射和對流耦合。圖4顯示了一個帶有兩個元件的簡單PCB。兩個元件的功耗假定為P1和P2，并且假設我們可以忽略輻射傳熱。每個器件下的電路板溫度分別為Tb1和Tb2。我們還假設電路板上兩個元件之間的橫向電阻為θb1b2。
圖4：具有兩個元件的PCB的簡單原理圖。
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