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电子设备只要有电流流过,能量损耗都会表现为热量,损耗越大,产生的热量就越多。如今的电子设备设计的越来越微小紧凑,在半导体器件中,栅极已缩小至纳米尺寸,单个裸片现在可以包含由数十亿个晶体管形成的数百万个栅极,对散热更是一个考验。
过热对半导体的影响
半导体材料由于电迁移效应而随温度变化,超出设备的温度限制,设备的性能会降低。另外,半导体依靠键合连接,如果暴露在高温下,键合的完整性会受到损害。 半导体器件通常由绝缘基板上的芯片组成,过热会使半导体器件内有不同层次的变形,减短使用寿命;或因封装材料的膨胀而在芯片上施加应力,导致设备过早失效,从而对可靠性产生不利影响,所以工作温度越高,可靠性越低。
散热解决方案
典型的PCB散热方法是被动冷却,在空间和组件允许的情况下,在半导体下方和周围放置低热阻的铜片带走器件的热量,并将其散布到PCB板的其他部位。
半导体散热的另一种方式是安装散热器,散热器一般是铝制结构,基板上覆盖有鳍片,以最大程度地增加表面积,然后依靠空气对流运动将热量散发出去。与第一种方式相比,热量可以更有效地从设备散发出去。
如果散热器也无法散发多余的热量,可加装风扇强制气流散热。优点是增加空气对流加快热传播速度,缺点是这种布置会将灰尘和污染物吸入设备中,可能会影响整体可靠性或潜在地降低散热器的热效率。
如果空间有限,另一种解决方案是热管散热。作为现成的材料,热管提供了一种可靠且经济高效的方法,可将热量从板上的热点被动转移到较冷的位置。通常,热管包含少量的吸热液体,例如加压的氮气,氨水或丙酮。流体吸收热量并变成蒸气,蒸气沿着管道流向冷凝器,在这里,它凝结回液态,然后回到热源重新循环。热管的优点是无源结构,没有活动部件,也没有维护要求。
其他解决方案包括使用液冷冷却板或珀尔帖效应冷却板冷却,但会增加成本和设计复杂性。
PCB散热建议
1.为电路板提供自然通风,使空气自由地流过电路板的表面,可以最大程度地减少冷却不均。
2.如果PCB安装在外壳中,尽量选择低热阻材料制成的外壳;可以使用鳍,脊或简单凸起的设计最大程度地增加外壳的表面积。如果设备的外壳允许,可垂直调整PCB的方向,利用热空气上升和冷空气下沉的原理,增加自然对流的气流速率。
3.如果加装风扇,需将风扇放置在任何自然对流通道的一端,确保空气自由流动;另外,如果设备在有灰尘或污染物的地方运行,需安装过滤器。