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由于PCB電路中的導(dǎo)線存在電阻，在工作過(guò)程中無(wú)法避免地產(chǎn)生熱量，影響電子元件的性能和效率，并降低了電子元件的使用壽命。因此，“散熱”是電子元件乃至PCBA制造過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)乎電子元件和電器的性能。同時(shí)，“散熱水平”也是考量一個(gè)PCBA制造商科技水平和設(shè)計(jì)水平的重要因素。

 

一、電子電路的發(fā)熱

1、電子元件為什么會(huì)發(fā)熱

電子元件或電器中有精密的電子電路，電子電路中的導(dǎo)線受限于材料自身的特性，具有一定的電阻。當(dāng)電子電路通過(guò)電流時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)的電子在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與金屬離子不斷碰撞，碰撞時(shí)把一部分動(dòng)能傳給離子，使離子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致發(fā)熱。因此，電流越大，電阻越大，碰撞就越頻繁、劇烈，發(fā)熱就越多。

                                                               圖1 PCB電子電路

2、熱的傳播

熱的傳播有三種方式，傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

傳導(dǎo)是由分子運(yùn)動(dòng)引起的。位于高溫處的分子具有較高的動(dòng)能，這些動(dòng)能通過(guò)分子之間的碰撞從一個(gè)傳向另一個(gè)，從而向周圍傳播。采用散熱器的散熱裝置，在散熱器與空氣的接觸面上，能量是靠傳導(dǎo)方式由散熱器分子傳向空氣分子的。

在對(duì)流方式中，空氣會(huì)因溫差而自行流動(dòng)，或者在風(fēng)機(jī)作用下強(qiáng)迫流動(dòng)，于是將熱能帶走。

                      圖2 熱的傳導(dǎo)

在輻射方式中，能量不是靠物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而是靠包括從紫外線到紅外線的所有不同波長(zhǎng)的電磁波來(lái)傳播的。

由此可見(jiàn)，熱是能量存在的一種方式，而熱的傳播是能量的流動(dòng)。這種能量的流動(dòng)叫熱流量，簡(jiǎn)稱熱流。通過(guò)傳導(dǎo)方式傳播的熱能將直接對(duì)與發(fā)熱區(qū)域直接連接的區(qū)域造成影響，而通過(guò)對(duì)流和輻射傳播的熱能將影響到發(fā)熱區(qū)域周邊的區(qū)域。

3、電子元件發(fā)熱的危害

電子元件發(fā)熱帶來(lái)的危害可以看成溫度對(duì)電子元件的影響。電子元件受材料特性和制造水平限制，都有其自身的最佳工作溫度，高于或低于其工作溫度都將影響其工作狀態(tài)，甚至對(duì)自身造成損壞。當(dāng)電子元件的溫度較高時(shí)，如果原件無(wú)法被散熱，將會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，從而引發(fā)電子遷移現(xiàn)象。電子遷移是電子高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬原子發(fā)生遷移。

電子遷移對(duì)芯片的損壞是一個(gè)緩慢的過(guò)程，一旦發(fā)生線路損壞，情況會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，最后會(huì)造成整個(gè)電路短路。電路被短路產(chǎn)生的高溫甚至可以使的整個(gè)原件產(chǎn)生燃燒、爆炸等現(xiàn)象，對(duì)人身和建筑的安全構(gòu)成極大的危害。

 

二、電子電路的散熱

1、散熱的必要性

電子電路的散熱好壞直接關(guān)系到電子元件在工作時(shí)的性能、壽命、和安全。因此，散熱在PCB設(shè)計(jì)中必須考慮因素。

2、散熱的技術(shù)性

近幾十年來(lái)伴隨科技的發(fā)展，如今應(yīng)用到電子電路上的散熱方式多種多樣，散熱的性能也得到逐步提升。只要科技的腳步不停歇，那么散熱技術(shù)的發(fā)展也就不會(huì)停止。那么人類也將可以得到在高科技技術(shù)下支撐下良好的散熱效果和工作體驗(yàn)。

3、散熱的經(jīng)濟(jì)性

最好的散熱技術(shù)不代表一定能應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，這其中要考慮到散熱在應(yīng)用中的成本問(wèn)題，也就是經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。同時(shí)，散熱的經(jīng)濟(jì)性是和技術(shù)性密切相關(guān)的。優(yōu)秀的散熱技術(shù)性可以降低產(chǎn)品的散熱成本，提高散熱效果，從而提高散熱的經(jīng)濟(jì)性。

4、散熱的商業(yè)性

任何被生產(chǎn)出來(lái)的電子產(chǎn)品都將被投放到市場(chǎng)上銷售。盈利才是PCBA制造商的初衷。散熱的商業(yè)性對(duì)于PCBA制造商而言尤為重要。好的散熱技術(shù)可以成為PCBA制造商打廣告的噱頭，成為商品的一大吸引顧客的賣點(diǎn)。同時(shí)在PCBA制造商降低了生產(chǎn)成本、節(jié)約了開(kāi)支的情況下，提高了利潤(rùn)，更可以在強(qiáng)大的散熱優(yōu)勢(shì)下打出低價(jià)牌。因此散熱是一種技術(shù)，也是一種工程的藝術(shù)！

5、散熱的方式

基于熱能傳播有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射幾種方式，根據(jù)原件具體的特性、所處的環(huán)境以及成本的考慮，可以制定最合理的散熱策略。通常針對(duì)電子電路的特點(diǎn)，散熱的方式有以下幾種：

（1）高發(fā)熱器件加散熱器、導(dǎo)熱板：當(dāng)電路板中有少數(shù)器件發(fā)熱量較大時(shí)(少于3個(gè))時(shí)，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁?，?dāng)溫度還不能降下來(lái)時(shí)，可采用帶風(fēng)扇的散熱器，以增強(qiáng)散熱效果。當(dāng)發(fā)熱器件量較多時(shí)(多于3個(gè))，可采用大的散熱罩(板)，它是按電路板上發(fā)熱器件的位置和高低而定制的專用散熱器或是在一個(gè)大的平板散熱器上摳出不同的元件高低位置。

（2）通過(guò)電路板本身散熱：目前廣泛應(yīng)用的電路板材是覆銅/環(huán)氧玻璃布基材或酚醛樹(shù)脂玻璃布基材，還有少量使用的紙基覆銅板材。這些基材雖然具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性差，作為高發(fā)熱元件的散熱途徑，幾乎不能指望由電路板本身樹(shù)脂傳導(dǎo)熱量，而是從元件的表面向周圍空氣中散熱。

（3）采用合理的走線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)散熱：由于板材中的樹(shù)脂導(dǎo)熱性差，而銅箔線路和孔是熱的良導(dǎo)體，因此提高銅箔剩余率和增加導(dǎo)熱孔是散熱的主要手段。

（4）對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路(或其他器件)按縱長(zhǎng)方式排列，或按橫長(zhǎng)方式排列。

（5）避免電路板上熱點(diǎn)的集中，盡可能地將功率均勻地分布在電路板上，保持電路板表面溫度性能的均勻和一致。

（6）將功耗最高和發(fā)熱最大的器件布置在散熱最佳位置附近。不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。

（7）高熱耗散器件在與基板連接時(shí)應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻。

 

三、散熱實(shí)例舉例—筆記本電腦的散熱

筆記本的主要散熱首先當(dāng)然是來(lái)源于CPU這個(gè)發(fā)熱大戶，不過(guò)在筆記本中，CPU的熱量卻不是整個(gè)筆記本熱量的全部。并且早期的CPU處理器發(fā)熱量并不是非常的大，只需要有簡(jiǎn)單的被動(dòng)散熱方式即可以滿足機(jī)器的散熱需要，也就是大家平常熟知的散熱片散熱。不過(guò)隨著CPU處理器的不斷升級(jí)，處理器的散熱需求可算是非常迫切了。其次，顯卡的熱量也占了不小的比例，早期的顯卡熱量不是很大，不過(guò)現(xiàn)在很多高端機(jī)器經(jīng)常配置好顯卡，于是熱量也跟著增加了不少。然后，就是其他的一些發(fā)熱配件，比如內(nèi)存、硬盤、電池等，也是筆記本發(fā)熱量的一些來(lái)源。通常，筆記本有以下散熱方式：

（1）風(fēng)扇散熱。目前很多筆記本的散熱方式之一是風(fēng)扇散熱。風(fēng)扇分為軸向型風(fēng)扇和輻射型風(fēng)扇兩種。一般來(lái)說(shuō)，軸向型風(fēng)扇，成本較低，風(fēng)量可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，不過(guò)占用的體積比較大，無(wú)法將筆記本做得很薄。另一種輻射型風(fēng)扇葉片很薄，氣流方向很好，無(wú)渦流，占用體積較小，不過(guò)成本相對(duì)較高，但是大多數(shù)筆記本普遍采用，主要是考慮到減小筆記本的體積。

                                                    圖4 風(fēng)扇散熱

（2）熱管散熱。熱管散熱最初由IBM引進(jìn)，由于熱管比較適用于那些體積空間較小、短時(shí)間散熱、熱源附近空間較小的機(jī)器，熱管散熱技術(shù)在筆記本中越來(lái)越多地得到使用。

                                                    圖5  熱管散熱

                                       圖6 雙風(fēng)扇散熱
 

（3）雙風(fēng)扇散熱。這樣的散熱方式往往出現(xiàn)在性能比較強(qiáng)勁的一些機(jī)器上，一個(gè)風(fēng)扇肯定是為CPU散熱服務(wù)的，而另外一個(gè)則是根據(jù)機(jī)器情況的不同而給不同的地方散熱，有的機(jī)器是為顯卡散熱，有的機(jī)器則仍然為CPU服務(wù)。雙風(fēng)扇的設(shè)計(jì)會(huì)更加省電，因?yàn)閱物L(fēng)扇時(shí)必須使用大功率，雙風(fēng)扇則無(wú)須如此，這樣就可以減小噪音。CPU使用雙風(fēng)扇，只需要低功率的風(fēng)扇，并根據(jù)熱量來(lái)運(yùn)行，就會(huì)有更低的噪音，并且延長(zhǎng)壽命。

（4）通過(guò)機(jī)器自身散熱。一些超輕薄的機(jī)器由于自身體積的限制，無(wú)法安裝風(fēng)扇散熱，就利用機(jī)器自身的部件來(lái)散熱，通過(guò)鍵盤輔助散熱和機(jī)器金屬外殼將機(jī)器自身內(nèi)部的熱量散發(fā)出去。

（5）水冷散熱。顧名思義，水冷散熱就是利用水來(lái)代替空氣，通過(guò)水的運(yùn)動(dòng)在散熱片之間通過(guò)熱對(duì)流來(lái)帶走多余的熱量。水冷系統(tǒng)的工作原理很簡(jiǎn)單，就是利用水泵把水從儲(chǔ)水器中抽出來(lái)，通過(guò)水管流進(jìn)覆蓋在CPU上面的熱交換器，然后水再?gòu)臒峤粨Q器的另外一個(gè)口出來(lái)，通過(guò)水管流回儲(chǔ)水箱，就這樣不斷循環(huán)，把熱量從CPU的表面帶走。整個(gè)水冷系統(tǒng)包括熱交換器、循環(huán)系統(tǒng)、水箱、水泵和水等。水冷系統(tǒng)的散熱能力非常強(qiáng)勁，非常適合一些超頻愛(ài)好者采用。

（6）液冷散熱。嚴(yán)格地說(shuō)，液冷散熱的原理和水冷散熱相同，它們采用的散熱方式是一樣的，不同的是在循環(huán)系統(tǒng)中流動(dòng)的書(shū)導(dǎo)熱硅而非水，這樣的好處顯而易見(jiàn)，它不會(huì)由于循環(huán)系統(tǒng)的破壞使得流出的硅油導(dǎo)致電腦硬件的損壞。

                                                圖7 液冷散熱

除了以上介紹的主動(dòng)散熱方式外，還有半導(dǎo)體致冷片散熱、壓縮機(jī)制冷散熱、液氮散熱等方式。