图3 元器件布局原则示意图
最大损耗的元器件应靠近PCB边缘。
保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。
温度敏感的元器件应尽量靠近进风口。
高、大的元器件如电磁元件、电容等不能够对气流形成阻挡。
如果不能消除SWIRL的影响，即无法保证流出风扇框的流场是近似均匀的流场，则必须避免布置高热器件在流场的旋涡区域，因为该区域风速最小。
散热器的安装方向：要保证散热器齿槽方向与风向平行
散热器周围与其它元器件的距离推荐小于10mm。
5.5.3 元器件的安装
元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。
5.5.3.1 为尽量减小传导热阻，应采用短通路，即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。
5.5.3.2 为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。
5.5.3.3 对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿，详见5.5.4。
5.5.3.4把器件装配在散热器上时，应严格按照我司TS-S0E0102012《大功率管安装设计工艺规范》中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件,。
5.5.3.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。
5.5.3.6 对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。
5.5.3.7 当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。
5.5.3.7.1 尽可能增大接触面积。
5.5.3.7.2 确保接触表面平滑。
5.5.3.7.3 利用软材料接触。
5.5.3.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。
5.5.3.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。
5.5.4 导热介质的选取原则
为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题，功率器件与散热器间应加导热绝缘材料，考虑到性价比，在散热条件不是很恶劣，如功率器件损耗较小或功率器件处于有利的通风位置时，可选用通用的导热绝缘材料SP400，其它条件下可选用散热性能较好的SP900S，只有在特殊情况下，才允许选用SP2000。其性能参数如表1所示
表1 常用热界面材料性能参数表
材料
Sil-pad2000
Sil-pad900S
Sil-pad400
陶瓷基片
材料厚度(mm)
0.25±0.025
0.23±0.025
0.23±0.025
0.63±0.025
导热系数W/m.k
3.5
1.6
0.9
27
单位面积热阻
℃-cm2/W
1.29
2.6
4.6
1.2
使用温度℃
-60～180℃
-60～180℃
-60～180℃
-60～180℃
材料构成
硅橡胶/玻璃纤维
硅橡胶/玻璃纤维
硅橡胶/聚脂薄膜
陶瓷＋三氧化二铝
实测热阻值
<0.4
<0.6
<0.9
<0.35
实测热阻值是在采用TO－247封装，在紧固压力为12Kg.cm下测得的。
5.5.4.1 由于陶瓷基片在安装时容易碎裂，所以不推荐使用陶瓷基片。
5.5.4.2 对于输出部分，由于总是处于出风口的位置，一方面通过其功率管表面及散热器表面的风均为热风，另外输出二极管部分后面总会有输出共模电感或差模电感之类的体积较大的器件，影响出风，所以该部分的散热条件总是比较恶劣，为了减小散热器的压力，可考虑采用散热器悬浮的方法去掉功率管与散热器间的导热绝缘膜，使功率管直接贴在散热器上。
5.5.4.3 为了便于安装，导热绝缘膜可考虑选用单面背胶的方法解决导热绝缘膜的定位问题，即先将导热绝缘膜粘在安装位置，再进行功率管的安装与紧固。但必须注意，导热绝缘膜背胶会增加其热阻，由于胶不是良好的导热介质，一般情况下，热阻会增加30－40％，所以，在热设计时需考虑该部分的冗余。
5.5.4.4 我司推荐的大部分导热绝缘材料均采用硅橡胶为基体，质地较软，因此，在安装时不需要涂硅脂；只有少数材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等质地比较硬的材料必须涂硅脂，要求硅脂必须涂敷均匀，硅脂层厚度小于0.15mm。
5.5.5 PCB板的热设计原则
PCB板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大气中)。
5.5.1 印制线的载流容量和温升
设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。
在实际应用中，常有较大电流流过输出端铜箔，如果输出铜箔设计的过细，则会导致铜箔的温度上升。印制电路板的材料、导电铜箔的厚度、容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受多大电流。一般对1盎司的环氧玻璃板，如果允许温升小于10℃(考虑到系统内部的环境温度可能超过70℃) ，则一般可按1A电流取1mm宽铜箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流为5A，对1盎司的环氧玻璃板，其铜箔宽度可取5mm。实际可按照容许温升的大小按照图4进行选择。
图4 1盎司环氧玻璃板电流与铜箔宽度的关系图,
需提醒的是，不同的基板材料生产厂家，不同的基板材料，则图12显示的电流与铜箔的关系是不相同的。可通过实验进行确定。
5.5.2 印制板的散热
5.5.2.1 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。
5.5.2.2 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻，增强元器件引线腿对印制线的热传导，增强导电性。
5.5.2.3 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条器等措施。
5.5.2.4 若发热密度非常高，则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间应涂抹导热膏。
5.5.2.5 以上措施仍不能充分散热时，就应采用热传导性能好的印制板，如金属基底印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化砖陶瓷、冻石陶瓷)印制板。
5.5.2.6 对塑封器件和SMD封装的元器件，通过管脚散热成为主要的散热器途径之一，其热设计应满足以下原则：
加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔，以加大PCB的散热面积，如图5所示
图5: 改善管脚侧散热的措施之一散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡
图6: 改善管脚侧散热的措施之二
5.5.2.7 PCB焊盘的隔热设计
较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利，但在过波峰焊或回流焊时由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计方法如图7所示
图7: 焊盘的隔热设计
5.5.6 安装PCB板的热设计原则
5.5.6.1 自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；对强迫风冷条件下，PCB板的间距可以适当减小，但必须符合安规要求。
5.5.6.2 底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置以不要阻碍或阻断气流为原则。
5.5.7 元器件结温的计算
为保证元器件的安全散热，需要校核元器件的结温是否工作在安全温度下，首先得获得如下数据：元器件的耗散功率Q（额定值），结点（junction）的安全工作温度范围Tjmax（最大值和推荐值），结至冷却空气热阻Rja，结至壳热阻Rjc，结至板热阻Rjb，封装方式，散热表面外形尺寸（以上参数一般在元器件供
应商提供的用户手册中可以查到），PCB板的层数，流过元器件的空气温度和速度（由系统级估算获得）,工作结温按下式进行计算：
5.5.7.1元器件背有散热器
对于带铜板封装的大功率元器件(典型如TO－220/TO-247等)，其热量通过环氧表面 (通常为TOP面)、管脚及铜板共3个渠道传递出来，由于结到环氧表面、结到管脚的热阻较大，所以通过铜板的传热为主要的传热途径，如果铜板所贴的散热器热阻足够小且流过环氧表面的风速小于1m/s，则通过其它两种路径的传热基本可以忽略，在已知散热器台面温度Ts下 , 器件的工作结温为：
Tj=Ts+ PT³Rth(j-s) ≤0.8Tjmax……………………………(4)
PT---元器件的热损耗，W
Rth(j-s)----元器件结到散热器表面的热阻，℃/W
对于无铜板的塑封器件，其热量通过环氧表面 (通常为TOP面)、管脚共2个渠道传递出来，元器件不仅通过表面对流散热，还通过PCB板的导热传递热量。PCB的各层信号层、地层和电源层都铺有大面积的铜，综合的导热系数比较高，整个PCB板就象是一块大的平板散热器，具有热量均匀化的作用。所以应尽量减小结至板的热阻，如BGA封装有大量钢珠直接和板接触，热阻比QFP的封装方式小。一般较难计算散热量在这两条散热路径（表面对流与PCB导热）上的分配比例，但经验表明对于BGA和QFP这样的封装，表面无散热器时，PCB导热量将占总发热量的50%或以上，表面加散热器时，表面热阻大幅降低，则PCB导热量将减小为很小一部分。
5.5.7.2 元器件无散热器
如果已知结到环境的热阻，环境温度，则器件的工作结温为：
Tj=Ta+ PT³Rth(j-a)
＝Ta+ PT³（Rth(j-c)＋Rth(c-a)）……(5)
如果没有提供Rja，就需要运用经验公式计算芯片表面换热系数，并根据器件的表面散热量计算壳体温升Rth(c-a)= 1/hA ……………(6)
式中A为表面换热面积/m2，h为表面换热系数/W/m2℃，用下式求出……………(7)式中b和m为实验系数，D为特征尺寸，由表-2查出；为空气的导热系数/W/m℃；Re为雷诺数。
表-2. 不同情况下的常数b和m
热设计规范下载: 艾默生热设计规范.pdf
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