作者：周志敏
出版社：电子工业出版社
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开关电源实用技术：热设计·电磁兼容·PCB布局布线试读：
前言
随着电子技术的快速发展，电子设备的应用领域越来越广泛，种类也越来越多，而电子设备都离不开可靠的电源，电源性能的优劣直接关系到整个电子设备的安全性和可靠性。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为主要发展方向，因而对电源的要求更加灵活多样。
目前，我国通信、信息、家电、国防等领域的电子设备普遍采用开关电源，开关电源的开发、研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。在全球倡导节能环保、提高能效的背景下，开关电源的设计正面临着前所未有的挑战。为此，本书结合国内外开关电源技术的发展动向，系统地讲述了开关电源可靠性设计中应掌握的设计方法、设计原则等内容。本书将开关电源热设计、电磁兼容设计、PCB布局和布线设计融于一体，力求做到通俗易懂和结合实际，使得从事开关电源可靠性设计的工程技术人员可以从中获益，读者可以以此为“桥梁”，系统地了解和掌握开关电源的设计和应用技术。此书是从事开关电源可靠性设计的工程技术人员的必备参考书。
参加本书编写的有周志敏、纪爱华、周纪海、纪达奇、刘建秀、顾发娥、刘淑芬、纪达安、纪和平、陈爱华等。本书在写作过程中无论从资料收集还是技术信息交流上都得到了国内外的专业学者和同行及开关电源制造商的大力支持，在此表示衷心的感谢。
由于时间短，加之作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。编著者第一部分开关电源热设计第1章开关电源热设计术语及热设计概述1.1 热设计术语及热传递方式1.1.1 热设计术语
1．基本热设计术语
1）温升
温升指功率器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气中物体的非线性影响，可以将在一般环境温度下测量获得的温升直接加上最高可能的环境温度，获得在最高可能的环境温度下的功率器件近似温度。例如，测得某功率器件温升为40℃，则在55℃最高环境温度下，该器件的温度将为95℃。
2）热耗
热耗指功率器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗指功率器件的输入功率。一般功率器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算功率器件温升时，应根据其功耗和效率计算热耗，当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可认为热耗等于功耗，对于大功率设备，可近似认为热耗为功耗的75％。为给设计留一个余量，有时直接用功耗进行计算。
3）热流密度2
热流密度指单位面积上的传热量，单位为W/m。
4）体积功率密度3
体积功率密度指单位体积的热流量，单位为W/m。
5）导热系数
导热系数是表征材料导热性能的参数，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/（m·K）或W/（m·℃）。
6）对流换热系数
对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/22（m ·K）或W/（m ·℃）。
7）黑度
黑度表征物体的辐射力接近绝对黑体辐射力的程度，为实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比，在0与1之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙、无光泽，则黑度大，辐射散热能力强。黑度一般用ε表示，无单位。
8）热力学
热力学研究物质的热平衡状态，确定系统由一种平衡状态变到另一种平衡状态所需的总热量。
9）传热学
传热学研究能量的传递速率，是热力学的扩展，传热问题必须基于热力学和传热学才能解决。
10）热对流
热对流指流体由质点发生相对位移而引起的热交换。自然对流质点位移是由于流体内部密度差引起的，使轻者浮、重者沉。
11）热辐射
热辐射指由于热（温差）的原因而产生电磁波在空间传递，热辐射不仅是能量转移，也伴随着能量形式的转移。辐射传热不需要任何介质作为媒介，可以在真空中传播。
12）热阻
热阻指热量在热流路径上遇到的阻力，一般用R表示，即R＝Δt/Q，单位为℃/W。
13）特征尺寸
特征尺寸指在对流换热准则数中代表热表面的几何尺寸，一般用D表示，单位为m。
14）雷诺数
该数反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的大小之比，是说明流体流态的一个相似准则，一般用R表示，无单位。e
15）普朗特数
该数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则，一般用P表r示，无单位。
16）格拉晓夫数
该数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，一般用G表示，无单位。r
2．热单位
热是能量的形态之一，与动能、电能及位能等一样，热能的单位用J（焦耳）表示。电子设备若持续发热，热量连续不断流动时，用“每秒的热能量”来表示会更容易理解，单位为J/s，J/s也可用W（瓦特）表示。能量既不会突然生成，也不会突然消失，它们不是传递到其他物质就是转换为其他形态的能量。例如，100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃，这并不是通过升高水的温度消耗了100J的能量，而是在水中作为热能保存了起来。能量无论在何处都一定会以某种形态保存起来。能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生，这就是最重要的能量守恒定律。
3．比热容
比热容即为比热，是单位质量物质的热容量。单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量叫作这种物质的比热容，用字母C表示。比热容是一个复合单位，是由质量、温度和热量的单位组合而成的。在国际单位制中，比热的单位是J/（kg·℃），读作焦每千克摄氏度。
4．热阻
热阻是物体对热量传导的阻碍能力，单位为℃/W。物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差，即为该物体的热阻。热阻一般常用θ或R表示。由热阻可以判断及预测功率器件的发热状况。热阻大，表示热不容易传递，因此功率器件所产生的温度就相对高；热阻小，表示功率器件中的热量向外界传导快。热路和电路参数对应关系见表1-1。表1-1 热路和电路参数对应关系热路电路 热耗P，单位为W 电流I，单位为A-T，单位为℃＝U-U，单位为V 温差ΔT＝T 电压U21ABAB＝ΔT/P，单位为℃/W/I，单位为Ω 热阻R 电阻R＝UthAB，单位为cal/℃ 电容C，单位为F 热容C＝WCP＝R＋R＋…＋R＋… 热阻串联R 电阻串联R＝Rthth1th212＝1/R＋1/R 热阻并联1/Rthth1th2＋1/R＋… 电阻并联1/R＝1/R12＋…
两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如图1-1所示。在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层。与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。图1-1 两个相接触的固体表面
5．封装热传标准及定义
早期的电子热传工业标准主要是SEMI标准，该标准定义了IC封装在自然对流、风洞及无限平板的测试环境下的测试标准。自1990年之后，JEDECJC51委员会邀集厂商及专家开始制定新的热传工业标准，针对热管理方面提出多项标准。和SEMI标准相比，新的热传工业标准虽然基本测量方法及原理相同，但内容更为完整，此外也针对一些定义进行了更清楚的说明。
SEMI标准中定义了两种热阻值，即R及R。其中，R是测量jajcja在自然对流或风洞环境下从芯片界面到大气中的热传。由于测量是在标准规范的条件下进行的，因此对于不同的基板设计及环境条件有不同的结果，此值可用于定性地比较封装散热的容易程度。R是指热jc由芯片界面传到IC封装外壳的热阻，在测量时需接触一等温面，该值主要用于评估散热片的性能。
随着封装形式的改变，在新的JEDEC标准中增加了R、ψ、ψjbjtjb等几个测量参数。其中，R为在几乎全部热由芯片界面传到测试板jb的环境下，由芯片界面到测试板上的热阻，该值可用于评估PCB的热传效能。ψ为热传特性参数，其定义如下。jx（1）ψ和R的定义类似，但不同之处是ψ是指在大部分的热量传递的情况，而R是指全部的热量传递。在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传递，而不一定会由单一方向传递，因此ψ的定义比较符合实际系统的测量情况。（2）ψ是指部分的热由芯片界面传到封装上方外壳时所产生的jt热阻，该值可用于实际系统产品由IC封装外表面温度预测芯片界面温度。（3）ψ和R类似，是指在自然对流及风洞环境下，部分热由芯jbjb片界面传到下方测试板时所产生的热阻，可用于由板温去预测结面温度。
虽然标准中的各种热阻测量值可应用于实际系统产品的温度预测，但是实际应用时仍然有很大的限制。使用标准的R、R、ψ、jajbjtψ等测量参数对系统产品的温度进行预测时，需注意标准测试条件jb所用的测试板尺寸、铜箔层及含铜量，还需注意测量时所采用的自然对流及风洞环境和实际系统的差别。
一般来说，由实验测量的热阻值或热传参数主要用来对IC封装散热效能进行定性比较，即不论由哪家封装厂封装，只要符合标准方式，就可以比较其散热状况，这对于了解IC封装散热设计或热传状况有很大帮助。此外，实验测量值也可用于数值模拟的验证及简化。
6．JEDEC芯片封装的热阻及热性能参数
1）热阻参数
JEDEC芯片封装的热阻参数如下。
R为结（即芯片）到空气环境的热阻：ja
R为结（即芯片）到封装外壳的热阻：jc
R为结（即芯片）到PCB的热阻：jb
2）热性能参数
ψ为结到封装顶部的热参数：jt
ψ为结到封装底部的热参数：jb式中，T为芯片结温（℃）；T为空气环境温度（℃）；T为芯片根部jabPCB表面温度（℃）。
热阻参数R是封装的品质度量，R只能应用于芯片封装的热性jaja能品质参数（用于性能好坏等级的比较），不能应用于实际测试、分析中的结温预计分析。
从20世纪90年代起，相对于R更需要对实际预计芯片温度有价ja值的热参数，为适应此要求而出现3个新参数：ψ、ψ和R。jbjtjb
ψ可运用于热分析中的结温分析，ψ可运用于实际产品热测试jbjt中的结温预计，R是结到封装表面离结最近点的热阻值。在R的测jcjc量中，应设法使得热流“全部”由封装外壳通过。
ψ与R完全不同，并非是功率器件的热阻值，只是个数学构造jtjc物，是结到顶部的热特征参数，因为不是所有热量都是通过封装顶部散出的。在实际应用中，ψ对于由芯片封装上表面测试温度来估计jt结温有有限的参考价值。
ψ是用来比较板上表面安装芯片封装热性能的品质参数，针对jb的是2S2P（双信号层、双隐蔽式电源层）PCB，不适用于板上有不均匀热流的芯片封装。R与ψ有本质区别，R＞ψ。与ψ同理，jbjbjbjbjtψ为结到PCB的热特征参数。jb1.1.2 热传递方式
电子产品完全遵守能量守恒定律，从电源流入的电能会在产品内部转换为热能，然后只会向周围的物体及空气中传递。接通电源后一段时间内，转换的大部分热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的热能仅为少数。之后，装置温度升高到一定程度时，输入的能量必须与排出的能量一致，否则温度便会无止境上升。热能传递有3种方式，分别为传导、对流及热辐射。传导与对流表面文字相似，但意义绝不相同。
1．传导
传导是指热能在物体（固体）中的传递，不同的材料热传导系数不同，其热传导作用也不同。材料的热传导能力与导热系数、导热方向的截面积和温差成正比，与导热的长度和材料厚度成反比。传导散热需要有较高热导率的材料或介质，铝和铁的导热性都很出色，常用铝合金或铜作为散热器材料，对于大功率器件可以外加材料厚度较厚的散热器。如果用数值表示物质导热性，树脂为0.2～0.3，铁为49，铝为228，铜为386。这个数值就是该物质的热导率，单位为W/（m·℃）。越容易导热的物质，该数值越大。
如果用一句话来表述热导率的含义，即有一种长1m、横断面积2为1m的材料，其两端的温度差为1℃时，会流动多少瓦热能。其单位W/（m·℃）可写成：
导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：2式中，A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m；T与T分别为高hc温面与低温面的温度；δ为两个面之间的距离，单位为m；λ为材料的导热系数，单位为W/（m·℃），表示了该材料导热能力的大小。
一般，固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体。例如，常温下纯铜的导热系数高达400W/（m·℃），纯铝的导热系数为236W/（m·℃），水的导热系数为0.6W/（m·℃），而空气仅为0.025W/（m·℃）左右。因为铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片的散热器中，为了提升散热性能，常采用铝嵌铜散热器或铜散热器。
2．对流
对流是指运动着的流体流经温度与其不同的固体表面时，与固体表面之间发生的热量交换的过程，是在流体和气体中的热能传递方式。对流是最复杂的一种传热方式，热传输的速度与物体的表面积、温差、流体的速度和流体的特性有如下函数关系：式中，Q为对流的热传输速度；h为热传输系数；A为物体的表面ees积；T为固体的表面温度；T为环境温度。sa
热传输系数受固体的形状、物理特性，流体的种类、黏性、流速，以及温度、对流方式（强制对流或自然对流）等因素的影响。对于空气介质不同对流方式的热传输系数见表1-2。表1-2 对于空气介质不同对流方式的热传输系数对流方式热传输系数2自然对流 ·℃）0.0015～0.015W/（m2强制对流 ·℃）0.015～0.15W/（m
从表1-2中可以看出，强制对流可以大大提高热传输系数，从而提高散热效果。
对流换热是电子设备散热中应用最广的一种换热方式。根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者采用泵、风机或其他外部动力源作为运动的动力，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。
在终端产品中主要是采用自然对流换热，自然对流换热分为大空间自然对流（如终端外壳和外界空气间的换热）和有限空间自然对流（如终端内的单板和终端内的空气换热）。值得注意的是，当终端外壳与单板的距离小于一定值时，就无法形成自然对流。例如，手机的单板与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：2式中，A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m；T与T分别为固hc体表面与流体的温度，h是对流换热系数。自然对流时，换热系数在221～10W/（m ·℃）量级，实际应用一般不会超过3～5W/（m 2·℃）；强制对流时，换热系数在10～100W/（m ·℃）量级，实际应2用一般不会超过30W/（m ·℃）。
3．辐射
辐射是指热量经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式。太阳的热量穿过真空宇宙到达地球，这也属于辐射。辐射中热量是否易于吸收和放出，取决于物体表面的温度及颜色等。就颜色而言，黑色容易吸放热量，而白色较难。
辐射能量的大小与材料的热辐射系数（相对于黑体表面辐射系数的降低系数）、物体散热的有效表面积和热能的大小有关。在材料有相同热辐射系数的条件下，无光泽或暗表面比有光泽或光亮的表面热辐射更强。由此可以得知，选择散热器或散热面时，无光泽表面的散热器其散热效果会更好。相互靠近的元器件或发热装置（如大功率器件、变压器等），彼此都会吸收对方的热辐射能量，若要降低相邻元器件的热辐射影响就必须将发热元器件彼此分开，加大两者之间的距离。
如果用数值来表示，即为热辐射率（没有单位），其数值范围为0～1，从理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.05～0.5，铁为0.6～0.9，黑色树脂为0.8～0.9。
辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中，最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：2式中，A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m；T与T分别为固hc体表面与流体的温度；ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界条件无关。
辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，在终端温度与环境温度相同温差条件下会散去更多的热量。塑料外壳表面喷漆，PCB表面涂敷绿油，表面黑度都可以达到0.8，这些都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热。
对辐射散热最大的一个错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散热器表面的黑色处理也助长了这种认识。实际上，当物体温度低于1800℃时，有意义的热辐射波长为0.38～100μm，且大部分能量位于红外波段0.76～20μm范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。而颜色只与可见光吸收有关，与红外辐射无关，因此夏天人们穿浅色的衣服可降低太阳光中的可见光辐射的吸收。
4．散热方式的选择
常见的散热方式有散热片散热和风扇散热两种方式。有时散热的程度不够，有时又过度散热了，那么何时应该散热、哪种方式散热最合适可以依据热流密度来评估，热流密度＝热量/热通道面积。设计中应按照《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》中规定的冷却方法，如图1-2所示，根据可接受的温升要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方式。图1-2 冷却的方法
对于密封设备，则应该用体积功率密度来估算，体积功率密度＝热量/体积。图1-3所示为温升要求为40℃时，不同体积功率密度所对应的散热方式。图1-3 温升为40℃时，各种散热方式的热流密度和体积功率密度
按照图1-3可以得出散热方式的选择顺序：自然冷却→导热→强3迫风冷→液冷→蒸发冷却。体积功率密度低于0.12W/cm时，可采取传导、辐射、自然对流等方法冷却；体积功率密度在0.12～0.43W/3cm范围内时，可采取强迫风冷的方法冷却；体积功率密度在0.43～30.6W/cm范围内时，可采取液冷的方法冷却；体积功率密度大于30.6W/cm时，可采取蒸发冷却的方法。需注意的是，上述散热方式是温升要求为40℃时的推荐参考值，如果温升要求低于40℃，就需3要对散热方式降额使用，如体积功率密度低于0.12W/cm时可能就需要选择强迫风冷，如果要求温升很低，甚至要选择液冷或蒸发冷却。
与电阻的概念类似，热阻越小则导热性能越好，热阻两端的温度差类似于电压，传导的热量类似于电流。热阻通常用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。例如，芯片功耗20W，芯片表面不能超过85℃，最高环境温度55℃，实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W，则（R＋0.1）＝（85-55）℃/20W，则R＝1.4℃/W。依据这个数值选择散热器就可以了。应注意的一个问题是，在计算中默认为热耗≈芯片功率，对一般的芯片，都可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了，而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算。
元器件在工作时都有不同程度的发热，温度过高就会影响元器件的性能和工作参数。所以在进行PCB布局和组装件的设计时，必须考虑元器件的散热和冷却问题，把元器件产生的热量传递到其他介质，降低元器件本体的温度。在考虑散热问题时，应先分清PCB上的元器件哪些是发热元器件、哪些是热敏元器件，分析PCB上的总功率及其将在PCB上产生的热分布状态，有针对性地进行元器件的布局和采取散热、冷却措施。要根据元器件产生热量的大小、元器件在PCB上的分布密度、整机的散热空间和工作环境，采取合适的散热方式，并且考虑尽量降低成本，不过多占用PCB的面积，散热的效果应能达到单板或整机在规定的环境条件下和时间内能正常工作。1.2 开关电源热设计及热管理概述1.2.1 热设计的目的及层次
1．热设计的目的及原则
热设计被称为“古老的新技术”，因为其基础传热工学和流体力学早已确立，而其应用技术热设计会因电子设备的不同而变化，设计的方法和设计人员的作用也须随电子设备的变化而变化。热设计有3个作用：保证功能和性能、保证寿命和保证安全性。在过去的热设计中，保证寿命占的比重较大，能够影响保证功能、性能和安全性的问题极为罕见。
热设计的目的是采用适当、可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性、长期运行的可靠性。通过控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高允许温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并与产品的可靠性要求及分配给每一个元器件的失效率相一致。
如今，热设计成了保证功能及性能的主要因素。热设计应考虑的因素包括结构与尺寸、功耗、产品的经济性、与所要求元器件的失效率相应的温度极限、电路布局和工作环境。热设计应遵循的原则如下。（1）热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计与电气设计相互兼顾，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折中解决。热设计不能盲目加大散热余量，应尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪声指标符合标准要求。（2）热设计应遵循相应的国际、国内标准和行业标准。（3）热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。（4）每个元器件的参数选择、安装位置及方式必须符合散热要求。（5）在规定的使用期限内，冷却系统（如风扇等）的故障率应比元器件的故障率低。（6）热设计应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及热阻的增加。（7）热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械及环境条件，同时满足可靠性要求，冷却系统要便于监控与维护。
2．热设计的层次
所谓热设计就是把电子设备输入的热量降至最低，并提高散热效果，把电子设备内部有害的热量排出到电子设备外部的环境中，获得合适的工作温度，使其不超过可靠性规定的限值，确保设备可靠、安全的工作。电子设备的热设计可分为3个层次。（1）电子设备机箱、机框及方腔等的系统级别的热设计，即系统级（systems）热设计。（2）电子模块、散热器、PCB级别的热设计，即封装级（packages）热设计。（3）元器件级别的热设计，即组件级（components）热设计。
系统级热设计主要研究电子设备所处环境的温度对其影响，环境温度是系统级热设计的重要边界条件。系统级热设计是采取措施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下进行工作。
系统级制造商所面对的最大问题就是研发一种散热效率高的机箱、机框及方腔，以使热量可以迅速地导入至环境中。每一种电子设备的设计考虑都是不同的，并且需要清楚地了解电子设备性能和所受的尺寸限制。例如，在金属块和PCB垫片间必须进行可靠和有效的连接。通常，热量通过PCB上的热过孔到达另一层的铜块上，之后，热量再通过导热的方式进入外壳或外部散热器中。
当一个外壳内需要去除大量的热时，需要一个外部散热器，外部散热器扩展了换热表面，便于热量进入空气中。散热器常用的材料是铝或铜。由于散热器和空气之间为对流换热，所以有必要对散热器的几何外形进行优化。优化设计必须考虑散热器周围的空气流动情况，而这一区域的空气流动又受到散热器的影响，这是散热器优化设计所要面对的挑战。散热器的性能取决于材料、翅片数、翅片厚度和基板厚度等参数。铜材料具有很高的热导率，但相同体积下铝的质量更轻，同时价格也更便宜。例如，在一些PCB中通过使用一些基板来提升传热能力，这些基板使用陶瓷或覆有铜、铝或其他材料。
封装级热设计在国外发展较为成熟，出现了电子元器件封装专业。封装级热设计与设备的电路设计、结构设计密切相关。对PCB基材进行适当选择是封装级热设计的重要内容。覆铜箔层压板的种类和特性是PCB设计和制造工艺人员所关心的项目，除了一般要求的强度、绝缘、介质系数等外，对覆铜板的热性能有特殊要求。覆铜板的热性能有两个方面的内容。（1）覆铜板的耐温特性。环氧玻璃布覆铜箔层压板具有优良的电性能和化学稳定性，工作温度为-230℃～260℃。聚酰亚胺覆铜箔层压板，除上述优良性能外，还具有介电系数小、信号传输延迟小的特点。（2）覆铜板的导热性能。选用耐高温、导热系数高的材料来作为PCB的材料。在相同的条件下，环氧玻璃布层压板图形导线温度升高可达40℃，而金属芯PCB图形导线温度升高不到20℃，因而金属芯PCB在电子设备中得到了广泛的应用。
电子设备各个部件是由各种不同材料的元器件组成的，如硅芯片、氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线框架和塑料封装外壳等。这些材料的热膨胀系数各不相同，一旦遇到温度变化，就会在不同材料的交界面上产生压缩或拉伸应力，因此就产生了热不匹配应力，简称热应力。材料热性质不匹配是产生热应力的内因，而温度变化是产生热应力的外因。
3．热设计功耗（TDP）与功耗（P）的区别
TDP的英文全称是Thermal Design Power，中文翻译为热设计功耗，简称热功耗，是反映热量释放的指标，它的含义是当元器件达到负荷最大时，释放出的热量，单位为瓦（W）。
热功耗（TDP）并不是真正功耗（P）。根据电路的基本原理，功耗（功率）P＝电流I×电压V，功耗（功率）等于流经元器件核心的电流值与电压值的乘积。而热功耗（TDP）是指电流热效应及其他形式产生的热能，它们均以热的形式释放。显然，热功耗（TDP）远远小于功耗（P）。换句话说，功耗（P）是对开关电源、电压和电流提出的要求，而热功耗（TDP）是对散热系统提出的要求。要求散热系统能够把开关电源发出的热量散发掉，也就是说热功耗（TDP）是要求开关电源的散热系统必须能够驱散的最大总热量。两者的公式是不同的。
功耗：
热功耗：式中，T为热源温度，即芯片结温；T为环境温度；P为热源功率，jaC即芯片热功耗；R为芯片到外壳的热阻；R为芯片外壳与散热器的TjTc接触热阻；R为散热器热阻；R为总热阻，R＝R＋R＋R。TfTzTzTjTcTf1.2.2 热管理的目的及散热增强方式
1．热管理的目的
因为热管理对于开关电源的性能和使用寿命至关重要，所以在研发初期就要考虑开关电源的散热问题。由于开关电源的使用寿命是功率器件结温的函数，所以热管理对于开关电源的性能至关重要。到目前为止，热管理是开关电源系统设计最重要的一个方面。在开关电源设计中，可通过寻求优化的散热器、高效PCB、高热导率外壳和其他先进热设计技术来应对这一挑战。由于热仿真可以在物理模型建立之前，从散热的角度评估不同设计方案和优化系统级设计，所以热仿真的作用日益凸显。热管理的目的是：（1）确保功率器件在合适的条件下工作，以达到高可靠性；（2）防止功率器件在超应力条件下驱动，延长器件工作寿命；（3）使功率器件工作在经济的电压、电流、结温下，以提高可靠性和效率。
热管理的要点是通过导热和散热使开关电源工作温度保持在合理的范围内，通常依靠热传导将功率器件产生的热量导向散热器，再将散热器中的热量散发出去，这一“导”一“散”非常重要，缺一不可，而且散热不仅要依靠传导还要靠对流和辐射等方式。
在进行热管理分析时，常用的基本定律是热流定律，即所谓的热欧姆定律。在分析电流传输时，欧姆建立了众所周知的欧姆定律，即V＝R×I，这里R为电阻，I为电流，V为电阻R两端的电位差。而在热流传输时有形式上与其相似的定律，即上式也被一些应用者称为热欧姆定律（实际上此定律与欧姆无关）。这里，R表示热阻，表征热流传输的阻力，单位为℃/W；P为热流，th0即单位时间传输的热量，P＝Q（热量）/t（时间），量纲与功率相同；0ΔT表示热流传输途中两点间的温差，即此两点间热阻上的温差。
在检测开关电源电路时，常用万用表检测相关节点的电位和电位差（即电压）。而在检测热流传输时，可用点温计、热电偶及红外热像仪来检测热流传输路径上相关节点的温度及温差。
在欧姆定律中，串联电路中电流处处相等，而热流传输则并不如此，在某些点会因为热阻过大而使热流传输受阻，使热量积聚。类似于电路分析中建立等效电路，在热流分析时亦可建立等效热流路径图。用热欧姆定律可以检测和估算的有：（1）检测和估算功率器件的结温T；j（2）判别相关节点间的散热效果、热阻大小；（3）使用不同材质散热器时功率器件工作状态的优劣。
在热流分析时有几个重要的温度节点，分别是：（1）芯片PN结的结温T，应小于产品规定的额定值，以使其工j作在安全范围内；（2）焊点温度T，即功率器件引出端与基板焊盘处的温度；s（3）散热器与外环境界面温度T。a
在一个开关电源中，有很多技术可以用来解决散热问题，其中包括散热器、散热管、风扇，但是在很多情况下，由于尺寸大小、重量或价格等方面的因素，采用这些方法的可能性很小。在大多数电子设备中，重量和尺寸大小是考虑的主要因素，而利用机壳本身把产品中产生的热量散发出去，是常用的方法。
只要空间足够，用风扇形成空气对流仍然是散热的最有效方法。将散热器或散热管与风扇结合起来，可以形成持续的气流，降低电子设备内部与外部环境之间的热阻。这个技术在笔记本电脑中是非常有效的。高速旋转的扁平风扇是一种成本低、体积小、重量轻的散热装置，但是要使风扇达到最佳效率，就需要对冷却回路进行智能管理。
2．散热增强方式
以下一些具体的散热增强方式是根据基本传热方程来增加散热量的。（1）增加有效散热面积。例如，在芯片表面安装散热器，将热量通过引线或导热绝缘材料传导到PCB中，利用周围PCB的表面散热。（2）增加流过功率器件表面的风速，可以增加换热系数。（3）破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热壁面上的不规则凸起可以破坏层流状态，加强换热。例如，针状散热器和翅片散热器的换热面积一样，而针状散热器的换热量却可以增加30％，就是这个原因。采用风扇冷却时，由于风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但在回流低速区的换热较差。（4）尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶（绝缘性能好）或铝箔等材料。（5）减小热阻。在封闭狭小空间内的功率器件主要通过受限的空气自然对流和导热、辐射散热。由于空气的导热系数很小，所以热阻很大，如果将功率器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大减小，可达到减小温升的效果。1.3 表面贴装元器件及PCB的热设计1.3.1 表面贴装元器件的热设计
对开关电源的PCB设计来说，尺寸越小越好，在推动外形尺寸小型化的同时，人们要求开关电源电路具有更强的功能和更高的可靠性。但是，组装密度的不断提高形成了局部的高热密度。由于高温会对开关电源的性能产生非常有害的影响，如高温会危及半导体器件的结温、损伤电路的连接界面、增加导体的阻值和形成机械应力损伤，所以确保发热电子元器件所产生的热量能够及时排出是开关电源PCB设计的一个重要方面。开关电源的可靠性及其性能，在很大程度上取决于是否具有良好的热设计，以及所采取的散热措施是否有效。
由于近年来表面贴装技术的应用不断拓展，使得热设计工作更为复杂和困难。这是因为表面贴装元器件与以往的矩形扁平封装元器件相比较，物理形状和尺寸大小有着显著的不同，表面贴装元器件更趋小型化、微型化。因此，表面贴装元器件的冷却比起以往所采用的通孔元器件（如双列直插式元器件）而言，在PCB上所占的空间更趋紧凑，进一步增加了热密度。
表面贴装元器件相对于其他类型的元器件而言，热设计更为困难，所以近年来人们已将注意力转向涉及表面贴装技术的散热问题。从冷却系统的设计、散热片的提供及严格的热分析，都特别关注表面贴装元器件的应用技术。
1．表面贴装元器件的热设计特点
表面贴装技术与以往的通孔组装技术相比较，所采用的热交换方式的选择余地很小。对采用通孔组装技术的双列直插式元器件而言，由于具有接地引脚和电源引脚可与PCB的具有热传导和热辐射功能的散热板（如铜板）相接触，将热量散发出去。而对表面贴装元器件来说，仅能采用表面接触的方式进行散热，由于表面贴装元器件的引脚非常细小，因而对热流而言，其流通截面积受到了很大的限制。
通孔元器件的外形尺寸比起表面贴装元器件来说大得多，即使通孔元器件上具有高热负载，也可以通过附着上常规的金属压制板材，或者采用具有足够散热表面积的、挤压成形的铝散热片来进行散热。而对表面贴装元器件来说，虽然热量的产生通常要小于通孔元器件，但是由于表面贴装元器件的物理尺寸较小，并且缺乏专门的散热片黏接技术，从表面贴装元器件上向外进行热交换的通道受到了很大限制。
当在表面贴装元器件上黏接一块散热片时，尤其是对采用塑料封装的元器件来说，环氧树脂黏接剂将会形成高热阻。此外，在对流或强迫风冷的通道中，由于表面贴装元器件的外形较小，因此表面贴装元器件不能有效地进入气流的传热界面层，导致了热交换系数的降低。而当一个具有特定功耗的芯片安置在较小的表面贴装组件内时，其产生的热功率密度就增高，于是要求有较高的热交换系数，才能保持与通孔元器件相一致的温度。
2．表面贴装元器件的热设计方法
为了能够有效地解决表面贴装元器件的散热问题，可以从表面贴装元器件的内部和外部两个方面来设计。
1）内部热设计方法
为了提高表面贴装元器件的热性能，可以对表面贴装元器件本身进行综合的热设计处理。例如，引脚数量多的方形塑料扁平封装元器件（PQFP），可以通过增强其内在的冷却性能，使得热传递性能大为改善。其中包括使用铜引脚框架、增加引脚框的面积和增加表面贴装元器件内的传热通道等方法将其与引脚框连接起来，将热量通过引脚框传递到表面贴装元器件的外表面。采用了这些热设计措施，将增大方形塑料扁平封装的表面贴装元器件的功耗散发量，可以从原来的2W左右增至3W以上。
采用增加芯片尺寸、增加铜材制成的电源线和接地线的面积（对多层陶瓷组件而言）及降低塑料的厚度等表面贴装元器件内部所增加的热设计措施，将导致费用增加，除此以外，也影响到结构的可靠性。因此，目前正在开展采用外部散热片和冷却措施的研究工作。
2）外部热设计方法
为了能够将表面贴装元器件上的热量散发掉，在热设计中采用冷却技术和通孔工艺两种方式。冷却技术包括热管理、自然对流冷却、强迫空气冷却、液体冷却、热交换、冷板、焊接散热板、采用热管、温差制冷、微型风机和充满液体的冷却袋等。在表面贴装元器件的顶部安装散热器，可以显著地增加表面贴装元器件的散热面积。当气流方向不明确时，在表面贴装元器件上黏接正交的铝散热片是非常有效的方法。
表面贴装元器件所采用的散热器绝大多数采用铝材（挤压成形、波纹状板材），此外还有实心铜散热器。目前，正引入采用由金属填充的、具有热传导性能的聚合物材料制造的散热器。这种散热器具有适合于塑料器件的热膨胀系数，能够提供较高的热传递性能，可以通过黏接胶粘贴在表面贴装元器件上。
表面贴装元器件上的散热器能够增加热耗散的面积，散热器向外凸出的高度很小，散热片的覆盖面能够占表面贴装元器件长度的30％～50％，且不会妨碍焊点的检查。在组件的散热片位置，通过在其突出部位增加一个挤压成形的凸出物进行加固。此外，为了能够形成最佳的黏接厚度和为了避免胶粘层不均匀，散热片的底部应该采用厚为0.08～0.15mm的导向轨道。散热片的高度应在满足空间尺寸限制的条件下，达到最大限度的允许值。在满足气流条件的情况下，散热片和散热圆柱的密度同样也要达到最高值。黏接散热片的材料最好采用柔性的、填充有银粉的环氧黏接剂。
对于涉及高热度的特殊应用场合，或者为了达到最佳的高速工作状态，必须对元器件进行冷却，使之低于环境温度，其中温差制冷是一项有效的技术手段。一般情况下温差制冷较复杂，但温差制冷可以满足定点定位的冷却需要，并且它几乎可以满足各种尺寸的需求。在接触器件的一侧形成一个制冷端，热量从发热的一端散发出去。
从表面贴装元器件顶部所散发的热量，同样也可以通过液体所形成的柔性散热器来完成。例如，采用内部注满全氟化碳液体的金属化塑料袋作为柔性散热器，袋中的受热液体通过热对流传导，可以很方便地将元器件上所散发的热量传递到袋子的金属化塑料表面。当散热袋与散热体（如器件壳体壁）相接触时，会获得最佳的效果。2
上述充满液体的柔性散热器已经有效地达到2.3W/cm以上的功率耗散，一般被使用在自然对流受到约束或不能直接采用强迫冷却的特殊场合。
热管比起简单的带有散热片的散热器来说，所占用的空间要多，但是其冷却能力却有显著的提高。热管加强了散热片的热交换能力，并能适应高功率密度的场合需要。典型的热管冷却结构是采用热管和冷却散热片的组合体。它被设计成能够固定在大型和微型元器件的顶部进行散热，在竖直方向采用在铜基层中埋置入热管的方式，该热管一直延伸到散热器上。对32mm×32mm正方形的表面贴装元器件而言，采用高度大于25.4mm的散热器，在强迫风冷的状态下能够耗散掉60W的热量。同样，也可以通过直接在PCB上安装小型散热器来实现单个元器件或一组元器件的冷却，这种小型散热器的高度能够小于25.4mm。
除表面贴装元器件顶部的冷却以外，也可再在其底部进行冷却以获得冷却效果的进一步加强，或者采用底部冷却来替换顶部冷却。底部冷却最简便的方式是在PCB的底部粘上一块金属板，采用这种方式，元器件底部的热量必须通过PCB自身的厚度才能得以传导。一个常用的工艺方式是在元器件下面提供一定数量的通道，这些通道被制成通孔形式，焊锡被灌注在其中构成热通道，热通道将元器件底部的热量传递到PCB另外一个侧面的冷板上进行热交换。但金属板的使用受到了一定的限制，它只能适用于表面贴装元器件安装在PCB一侧的情形。对简单传导来说，只使用硬铝制造的金属板。但对散热要求较高的场合来说，可以采用空心的冷板结构，它能够容纳流动的液体，从而加强了热交换作用。
冷板同样也能同热管结合在一起，热管能够将热量从PCB的中间传递到板的边缘，然后把热量传递到壳体壁上。扁平的热管被夹持在两层薄薄的、经过阳极氧化处理的铝板之间，从而形成了一块具有良好热交换能力的冷板，该组件能够被制成各种各样的形式。
在采用表面贴装元器件的场合，采用具有电路的超薄导热绝缘固态金属板也是一个非常有效的散热设计方法。它使得大功率表面贴装元器件的冷却问题简单化。绝缘层被安置在形成电路走线的铜箔外层上，该金属板可采用铜材也可以采用铝材。
3．表面贴装元器件的热管理技术与热分析
对于开关电源的电路设计，无论采用的是表面贴装元器件还是通孔元器件，热管理技术包括3级最基本的热传递。这3级分别为元器件级、PCB级和壳体级。所有这3级都必须保证在综合发挥效用以后，能够满足从半导体节点上散发的热量，顺利地传递到外部环境空间中去。为了有效地进行热管理，首先应该对下列问题有个清晰的了解。（1）在保证开关电源电路设计具有高可靠性的前提下所允许的最高元器件结温或元器件组件的温度应该是多少。（2）怎样使一个元器件至另一个元器件的温度均匀一致。若温度不均匀一致的话，将会对开关电源产生什么样的影响（采用高速电路设计时，将会对不均匀一致的温度产生颇为敏感的反应）。（3）如果在开关电源中采用了风扇，那么一旦风扇发生了故障，将会对开关电源产生什么样的影响。在没有风扇进行空气循环冷却的情况下，开关电源能够正常工作多久。为了能够抵御风扇失效所产生的危害，哪些元器件需要增加额外的保护措施。（4）怎样对通过开关电源电路的气流进行控制以确保足够的冷却效果。如果空气流量不足，会对开关电源电路产生什么样的影响。通过散热器翼片的气流是否合适，是否需要采用气流隔板，使气流直接接触到要冷却的元器件表面。
为了寻找解决热设计问题的答案，现在一些公司研制了使用计算机进行热分析的软件。在热分析软件中，能够反映出在开关电源电路中预示温度的等温线，在安装有散热器的特殊元器件及周围具有空气速度矢量显示，它能反映出空气的运动方向和速度。采用热分析程序可以确切地回答下述有关元器件热设计的重要问题。（1）元器件将暴露在何种类型的热环境之中。（2）对满足元器件的热特性而言，最小的气流速度和最佳的气流方向是什么。（3）处于临界状态的元器件对其邻近的元器件将会产生什么样的影响。
4．自然对流热设计要考虑的问题
为了能够提高开关电源电路的可靠性，有关设计人员必须重视对表面贴装元器件的热设计工作，从而确保产品功能的正常发挥。2
当发热表面温升为40℃或更高时，如果热流密度小于0.04W/cm，则一般可以通过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以不需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽量不使用风扇。合理全面的自然对流热设计必须考虑如下问题。（1）PCB上的元器件布局是否合理。在布置元器件时，应将不耐热的元器件放在靠近进风口的位置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元器件，以避免热辐射的影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔开。将本身发热而又耐热的元器件放在靠近出风口的位置或顶部。一般应将热流密度高的元器件放在边沿与顶部、靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进风口附近，尽量与其他发热元器件和热敏元器件在空气上升方向上错开位置。大功率的元器件尽量分散布局，避免热源集中。不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使风阻均布、风量分布均匀。（2）PCB单板上元器件的布局应根据各元器件的参数和使用要求综合确定。（3）是否有足够的自然对流空间。元器件与元器件之间、元器件与结构件之间应保持一定距离，通常大于13mm，以利于空气流动，增强对流换热；竖直放置电路板上的元器件与相邻单板之间的间隙至少为19mm。进出风口应尽量远离，避免气流短路，通风口尽量对准散热要求高的元器件。（4）是否充分运用了导热的传热途径。由于自然对流的换热系数很低，一般为3～10W/m·℃，元器件表面积很小或空间较小无法充分对流时，散热量会很小。这时应尽量采用导热的方式，利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料（如导热硅胶、云母、导热陶瓷、导热垫等）将元器件与机壳或冷板相连，将热量通过更大的表面积散掉。（5）对于个别热流密度较高的元器件，如果自然对流时温升过高，则可以设计或选用散热器以增加散热表面。高温元器件可以通过辐射将部分热量传递给机壳，机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比，而颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显。当机壳表面涂漆，黑度可以达到很高，接近1。在一个密闭的壳体中，壳体内外表面涂漆时比不涂漆时元器件温升平均将下降10％左右。1.3.2 PCB的热分析与热设计技术
1．PCB热量的来源
开关电源在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，还有一部分转化成热量散发。开关电源产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，会继续升温，元器件就会因过热失效，开关电源的可靠性将下降。SMT使开关电源元器件的安装密度增大，有效散热面积减小，开关电源温升严重地影响可靠性，因此对开关电源PCB的热设计的研究显得十分重要。引起开关电源PCB温升的直接原因是由于电路功耗元器件的存在，电子元器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小而变化。PCB中温升的两种现象为：①局部温升或大面积温升；②短时温升或长时间温升。
开关电源PCB中热量的来源主要有3个方面：电子元器件的发热、PCB本身的发热、其他部分传来的热。在这3个热源中，元器件的发热量最大，是主要热源，其次是PCB产生的热，外部传入的热量取决于开关电源的总体热设计。
元器件的发热量是由其功耗决定的，因此在设计时首先应选用功耗小的元器件，尽量减少发热量。其次是元器件工作点的设定，一般应选择在其额定工作范围内，在此范围内工作时性能佳、功耗小、寿命长。功率器件本身发热量大，设计时应尽量避免满负荷工作。对于大功率器件应执行降额设计的原则，适当加大设计富裕度，这无论是对加大开关电源的稳定性、可靠性，还是减少发热量都有好处。
PCB是由铜导体和绝缘介质材料组成的，一般认为绝缘介质材料不发热。铜导体由于铜本身存在电阻，当电流通过时就会发热，mA（毫安）、μA（微安）级的小电流通过时，发热问题可忽略不计，但当大电流（百毫安级以上）通过时就不能忽视。值得注意的是，当铜导体温度上升到85℃时，绝缘材料自身开始发黄，电流继续通过，最后铜导体熔断。特别是多层PCB内层的铜导体，周围都是传热性差的树脂，散热困难，因而温度不可避免地上升，所以要特别注意铜导体的线宽设计。实际上，在进行PCB布线设计时，走线宽度主要依据其发热量和散热环境来确定。铜导体的截面积决定了导线电阻（数字电路中线电阻引起的信号损耗可忽略不计），铜导体和绝缘基材的热导率影响温升，进而决定载流量。例如，铜导体截面积一定，当其允许电流值为2A、温度上升值低于10℃时，对于35μm铜箔，其线宽应设计为2mm；对于70μm铜箔，其线宽应设计为1mm。由此得出，当铜导体的截面积、允许电流和温度上升值一定时，可从增加铜箔厚度或加大铜导体线宽两个方面来满足散热要求。
2．电路热分析
电路热分析分为3个步骤：首先估计元器件中产生的热量，然后估计PCB或散热片散发的热量，最后估计元器件将要运行的环境温度。PCB或散热器会通过对流、传导或辐射方式将元器件的热量散发出去。传导散热主要是通过功率器件芯片金属引线框和PCB上的铜箔来传导热量。一旦PCB铜箔或分立散热片传导出热量，就为对流散热提供了足够大的将热量散播到空气中的表面积。
对流散热也有一些困难，在高温下，热阻会增加，为此采用热阻作为热分析参数。元器件数据中给出的若是从结到外界的热阻R，ja则该值表示的是当元器件未连散热片或未焊到PCB上时的温升。热设计中关键的热阻是从芯片到PCB的热阻R及从芯片到封装表面的热jb阻R，可用两个JEDEC标准PCB测量R，一个是单面PCB，另一个jcja是多层PCB。如果有R和R规格，可估计元器件的真实温升。在测jbjc量R时，PCB上没有其他芯片，当元器件周围有电源和其他散发热ja量的芯片时，以及当PCB处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时，实际温升会高于R测量给出的值，因为多数元器件的塑料封装顶面ja都几乎不传送热量。环氧树脂塑料的热传导能力为0.6～1W/（m·K）（瓦每米开尔文），而铜的导热能力是400W/（m·K）。因此，铜的导热能力比塑料高400～600倍。
热分析中的最后一步是估计环境温度，这步十分重要。例如，实验室空气温度为25℃，工作台上的芯片工作在50℃。当将这些芯片放到50℃的环境温度下，芯片的温度将达到75℃。但在估计环境温度步骤中，有时无法确定元器件可能要工作的环境情况。
在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。（1）电气功耗，即PCB单位面积上的功耗、PCB上功耗的分布。（2）PCB的结构，即PCB的尺寸和材料。（3）PCB的安装方式（如垂直安装，水平安装）、密封情况和离壳体的距离。（4）热辐射，即PCB表面的辐射系数、PCB与相邻表面之间的温差和它们的绝对温度。（5）热传导，即安装散热器、其他安装结构件的传导。（6）热对流，即自然对流、强迫冷却对流。
对上述各因素的分析是解决PCB温升的有效途径。往往在一个产品和系统中，这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。
3．PCB热设计的基本要求
在进行PCB设计时，尤其是表面安装用PCB设计，首先应考虑材料的热膨胀系数匹配问题。元器件的封装基板有3类：刚性有机封装基板、挠性有机封装基板和陶瓷封装基板，基板通过模塑技术、模压陶瓷技术、层压陶瓷技术和层压塑料4种方式进行封装。基板用的材料主要有高温环氧树脂、BT树脂、聚酰亚胺、陶瓷和难熔玻璃等，这些材料耐温较高，X、Y方向的热膨胀系数较低。在选择PCB材料时应了解元器件的封装形式和基板的材料，并考虑元器件焊接工艺过程的温度变化范围，选择热膨胀系数与之相匹配的基材以降低由材料热膨胀系数差异引起的热应力。
许多元器件采用陶瓷封装基板，它的热膨胀系数典型值为（5～-67）×10/℃，无引线陶瓷芯片载体LCCC的热膨胀系数范围是（3.5～-67～8）×10/℃。有的元器件基板采用与某些PCB基材相同的材料，如PI、BT和耐热环氧树脂等。在选择PCB的基材时应尽量考虑使基材的热膨胀系数接近于元器件基板材料的热膨胀系数。
PCB的导线由于通过电流而引起温升，规定其环境温度应不超过125℃（常用的典型值，根据选用的基材可能不同）。由于元器件安
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