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由于PCB電路中的導(dǎo)線存在電阻，在工作過程中無法避免地產(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制造過程中一個重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)乎電子元件和電器的性能。同時，“散熱水平”也是考量一個PCBA制造商科技水平和設(shè)計水平的重要因素。

 

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)電子電路通過電流時，導(dǎo)線內(nèi)的電子在電場力作用下做定向運動時，會與金屬離子不斷碰撞，碰撞時把一部分動能傳給離子，使離子的熱運動加劇，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)、對流和輻射。

傳導(dǎo)是由分子運動引起的。位于高溫處的分子具有較高的動能，這些動能通過分子之間的碰撞從一個傳向另一個，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。

在對流方式中，空氣會因溫差而自行流動，或者在風(fēng)機(jī)作用下強(qiáng)迫流動，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)運動，而是靠包括從紫外線到紅外線的所有不同波長的電磁波來傳播的。

由此可見，熱是能量存在的一種方式，而熱的傳播是能量的流動。這種能量的流動叫熱流量，簡稱熱流。通過傳導(dǎo)方式傳播的熱能將直接對與發(fā)熱區(qū)域直接連接的區(qū)域造成影響，而通過對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)熱帶來的危害可以看成溫度對電子元件的影響。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)，甚至對自身造成損壞。當(dāng)電子元件的溫度較高時，如果原件無法被散熱，將會產(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時，會導(dǎo)致金屬原子發(fā)生遷移。

電子遷移對芯片的損壞是一個緩慢的過程，一旦發(fā)生線路損壞，情況會越來越嚴(yán)重，最后會造成整個電路短路。電路被短路產(chǎn)生的高溫甚至可以使的整個原件產(chǎn)生燃燒、爆炸等現(xiàn)象，對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的性能、壽命、和安全。因此，散熱在PCB設(shè)計中必須考慮因素。

2、散熱的技術(shù)性

近幾十年來伴隨科技的發(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。

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)用到實際生產(chǎn)中，這其中要考慮到散熱在應(yīng)用中的成本問題，也就是經(jīng)濟(jì)性的問題。同時，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)出來的電子產(chǎn)品都將被投放到市場上銷售。盈利才是PCBA制造商的初衷。散熱的商業(yè)性對于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。同時在PCBA制造商降低了生產(chǎn)成本、節(jié)約了開支的情況下，提高了利潤，更可以在強(qiáng)大的散熱優(yōu)勢下打出低價牌。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。通常針對電子電路的特點，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(少于3個)時，可在發(fā)熱器件上加散熱器或?qū)峁埽?dāng)溫度還不能降下來時，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(多于3個)，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大的平板散熱器上摳出不同的元件高低位置。

（2）通過電路板本身散熱：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)計實現(xiàn)散熱：由于板材中的樹脂導(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）對于采用自由對流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路(或其他器件)按縱長方式排列，或按橫長方式排列。

（5）避免電路板上熱點的集中，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應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻。

 

三、散熱實例舉例—筆記本電腦的散熱

筆記本的主要散熱首先當(dāng)然是來源于CPU這個發(fā)熱大戶，不過在筆記本中，CPU的熱量卻不是整個筆記本熱量的全部。并且早期的CPU處理器發(fā)熱量并不是非常的大，只需要有簡單的被動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。不過隨著CPU處理器的不斷升級，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。一般來說，軸向型風(fēng)扇，成本較低，風(fēng)量可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，不過占用的體積比較大，無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，無渦流，占用體積較小，不過成本相對較高，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，一個風(fēng)扇肯定是為CPU散熱服務(wù)的，而另外一個則是根據(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)計會更加省電，因為單風(fēng)扇時必須使用大功率，雙風(fēng)扇則無須如此，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)熱量來運行，就會有更低的噪音，并且延長壽命。

（4）通過機(jī)器自身散熱。一些超輕薄的機(jī)器由于自身體積的限制，無法安裝風(fēng)扇散熱，就利用機(jī)器自身的部件來散熱，通過鍵盤輔助散熱和機(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代替空氣，通過水的運動在散熱片之間通過熱對流來帶走多余的熱量。水冷系統(tǒng)的工作原理很簡單，就是利用水泵把水從儲水器中抽出來，通過水管流進(jìn)覆蓋在CPU上面的熱交換器，然后水再從熱交換器的另外一個口出來，通過水管流回儲水箱，就這樣不斷循環(huán)，把熱量從CPU的表面帶走。整個水冷系統(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好者采用。

（6）液冷散熱。嚴(yán)格地說，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)中流動的書導(dǎo)熱硅而非水，這樣的好處顯而易見，它不會由于循環(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。