轉換器建議的PCB LAYOUT-散熱篇I

印刷電路板(PCB)已經廣泛應用於各式電子產品內，在大功率應用下，要求熱能快速地傳遞到印刷電路板的表面，進而整體系統維持高功率的運作。因此，解決散熱問題是設計電路板時相當重要的環節。本文分別介紹印刷電路板的銅厚與面積差異對散熱的影響，並量測電源轉換器未置於電路板與置於不同電路板佈局的溫度表現時，透過紅外線熱顯像儀觀察溫度分布。

 

緒論

隨著消費性電子產品的功率密度提高與體積小型化趨勢，代表所有主動和被動元件之間更緊密擺放，若電源轉換器內部流過大電流的元件(例如驅動電晶體、變壓器、電阻)散發出大量熱能且沒辦法快速地傳導到四周散熱，此時印刷電路板溫度過高直到超過臨界值，造成整體低效率運行。

一般而言，多層複合結構的印刷電路板導熱特性為各向異性，其材料主要是由環氧樹脂玻璃纖維板(FR4)的複合材料、金屬銅箔兩者所組成，而FR4目的是增加印刷電路板絕緣性、耐熱性和支撐度；金屬銅箔是連接電子零組件之間的線路和保持印刷電路板表面溫度性能均勻性。FR4的x軸與y軸導熱係數是0.9 W/(m·K)、z軸導熱係數是0.3 W/(m·K)，所以印刷電路板上主要以平面方向散熱，儘管如此上述兩項數值均遠小於金屬銅箔導熱係數385W/(m·K)，由此可得印刷電路板本身主要由金屬銅箔來散熱。

 

PCB散熱能力

常見的優化印刷電路板走線設計是提高金屬銅箔的厚度和面積，以達到更佳導熱效果。

• 銅箔面積

許多印刷電路板上都有作大面積的鋪銅，因為大面積鋪銅有散熱跟抗干擾的作用。假若發熱元件溫度過高而只靠散熱鰭片來增加對外部環境的接觸面積，此散熱效果對於高功率應用還是不夠。加大發熱元件的單面銅箔面積可以降低熱阻，向外排出熱能，但考慮到空間因素，沒辦法一味增加面積。使用多層印刷電路板且對熱源的銅箔區域加上通孔，以減少印刷電路板尺寸。如果是雙層板的通孔，能將印刷電路板的表面和背面連接；如果是多層板的通孔，可以連接限定部分層。

在自然對流環境下，高溫元件應盡可能地放置於遠離熱敏感元件例如熱敏電阻，以免產生的局部高溫影響電性特性。如圖2所示，與熱源距離越遠，受到溫度影響程度越小。

熱源位置的印刷電路板表面與底部開一個通孔並且在底部鋪滿銅，利用熱平衡的影響，熱能更容易藉由更大面積金屬銅箔散熱出去。

• 銅箔厚度和導線寬度

 

印刷電路板主要藉由金屬銅箔導熱，那麼不同銅箔厚度跟導線寬度對於導熱的影響如何?銅箔厚度用OZ(盎司)表示，單位為1oz/平方英尺，設計常使用的銅箔厚度是1OZ(約35µm)、2OZ(約70µm)和3OZ(約105µm)。

當大功率的應用下，電流流經主要線路的阻抗會因傳導損耗而產生發熱現象，所以對於大電流的迴路，加大銅箔厚度來減少線路電阻，其電阻關係式如下

l : 導線長度(mm)

w: 導線寬度(mm)

t: 金屬銅箔厚度(µm)

ρ : 銅電阻率(µΩ)

假設電流在導線的截面積上是均勻的，式(1)僅適用於直流電。由此可知，導線寬度和金屬銅箔厚度都跟導線阻抗值成反比，但跟散熱能力成正比。

 

實驗

以下使用隔離型直流轉直流轉換器分別放置在不同金屬銅箔厚度的印刷電路板，再透過紅外線顯像儀將轉換器將熱能轉成溫度訊號。熱成像是把紅外線輻射轉換為可見圖像的過程，可看見圖像描繪紅外線顯像儀所見場景中溫差的空間分佈，以方便找出印刷電路板的最高溫度。

電源轉換器為一寬輸入電壓範圍從9V到36V輸入，穩壓於12V輸出，輸出功率為30W，輸出電流為2.5A，規格如表1。

表 1 轉換器規格

DC to DC Converter 661
Input Voltage	24Vdc
Output Voltage / Current	12Vdc/2.5A
Operating Temperature	-40~105°C
Case Temperature	Max.110°C
Wind Speed	100LFM

以下實驗皆是輸入電壓24V且滿載狀態下進行量測，直到電源轉換器於熱平衡時再擷取熱顯像儀畫面。首先測單純電源轉換器本身的溫度，並未放置上印刷電路板，使用夾具直接夾住輸入腳位與輸出腳位。

輸入/輸出腳位只能透過空氣和夾具散熱，故熱傳導效率較差。偵測到的最高溫元件為100°C。

• 金屬銅箔厚度差異

使用相同的 PCB 平面圖設計的條件下，把電源轉換器分別放置於2OZ和3OZ銅箔厚度的印刷電路板進行量測。圖6可看出2OZ銅箔厚度的溫度分布，印刷電路板最高溫約為39.3°C。

圖7可看出3OZ銅箔厚度的溫度分布，印刷電路板最高溫已經降到約為35.1°C。

根據以上實驗得知隨著銅箔厚度從2OZ升到3OZ時候，印刷電路板溫度梯度明顯下降，並且兩者的最高溫差約4.2°C。

 

結論

為了讓大電流迴路產生的熱能均勻地分布在印刷電路板上，可以透過加大線寬、縮小線徑和加厚銅箔厚度來增加散熱效率。考量到成本因素下，使用者必須於設計前事先進行電路板的熱效能分析是很有必要的。

 

 

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