PCBA大讲堂：散热对电路板的影响及常用散热方式

由于PCB电路中的导线存在电阻，在工作过程中无法避免地产生热量，影响电子元件的性能和效率，并降低了电子元件的使用寿命。因此，“散热”是电子元件乃至PCBA制造过程中一个重要的环节，它关乎电子元件和电器的性能。同时，“散热水平”也是考量一个PCBA制造商科技水平和设计水平的重要因素。

一、电子电路的发热

1、电子元件为什么会发热

电子元件或电器中有精密的电子电路，电子电路中的导线受限于材料自身的特性，具有一定的电阻。当电子电路通过电流时，导线内的电子在电场力作用下做定向运动时，会与金属离子不断碰撞，碰撞时把一部分动能传给离子，使离子的热运动加剧，导致发热。因此，电流越大，电阻越大，碰撞就越频繁、剧烈，发热就越多。

                                                               图1 PCB电子电路

2、热的传播

热的传播有三种方式，传导、对流和辐射。

传导是由分子运动引起的。位于高温处的分子具有较高的动能，这些动能通过分子之间的碰撞从一个传向另一个，从而向周围传播。采用散热器的散热装置，在散热器与空气的接触面上，能量是靠传导方式由散热器分子传向空气分子的。

在对流方式中，空气会因温差而自行流动，或者在风机作用下强迫流动，于是将热能带走。

                      图2 热的传导

在辐射方式中，能量不是靠物质运动，而是靠包括从紫外线到红外线的所有不同波长的电磁波来传播的。

由此可见，热是能量存在的一种方式，而热的传播是能量的流动。这种能量的流动叫热流量，简称热流。通过传导方式传播的热能将直接对与发热区域直接连接的区域造成影响，而通过对流和辐射传播的热能将影响到发热区域周边的区域。

3、电子元件发热的危害

电子元件发热带来的危害可以看成温度对电子元件的影响。电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温度，高于或低于其工作温度都将影响其工作状态，甚至对自身造成损坏。当电子元件的温度较高时，如果原件无法被散热，将会产生极高的温度，从而引发电子迁移现象。电子迁移是电子高速流动时，会导致金属原子发生迁移。

电子迁移对芯片的损坏是一个缓慢的过程，一旦发生线路损坏，情况会越来越严重，最后会造成整个电路短路。电路被短路产生的高温甚至可以使的整个原件产生燃烧、爆炸等现象，对人身和建筑的安全构成极大的危害。

二、电子电路的散热

1、散热的必要性

电子电路的散热好坏直接关系到电子元件在工作时的性能、寿命、和安全。因此，散热在PCB设计中必须考虑因素。

2、散热的技术性

近几十年来伴随科技的发展，如今应用到电子电路上的散热方式多种多样，散热的性能也得到逐步提升。只要科技的脚步不停歇，那么散热技术的发展也就不会停止。那么人类也将可以得到在高科技技术下支撑下良好的散热效果和工作体验。

3、散热的经济性

最好的散热技术不代表一定能应用到实际生产中，这其中要考虑到散热在应用中的成本问题，也就是经济性的问题。同时，散热的经济性是和技术性密切相关的。优秀的散热技术性可以降低产品的散热成本，提高散热效果，从而提高散热的经济性。

4、散热的商业性

任何被生产出来的电子产品都将被投放到市场上销售。盈利才是PCBA制造商的初衷。散热的商业性对于PCBA制造商而言尤为重要。好的散热技术可以成为PCBA制造商打广告的噱头，成为商品的一大吸引顾客的卖点。同时在PCBA制造商降低了生产成本、节约了开支的情况下，提高了利润，更可以在强大的散热优势下打出低价牌。因此散热是一种技术，也是一种工程的艺术！

5、散热的方式

基于热能传播有传导、对流和辐射几种方式，根据原件具体的特性、所处的环境以及成本的考虑，可以制定最合理的散热策略。通常针对电子电路的特点，散热的方式有以下几种：

（1）高发热器件加散热器、导热板：当电路板中有少数器件发热量较大时(少于3个)时，可在发热器件上加散热器或导热管，当温度还不能降下来时，可采用带风扇的散热器，以增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个)，可采用大的散热罩(板)，它是按电路板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。

（2）通过电路板本身散热：目前广泛应用的电路板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材，还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能，但散热性差，作为高发热元件的散热途径，几乎不能指望由电路板本身树脂传导热量，而是从元件的表面向周围空气中散热。

（3）采用合理的走线设计实现散热：由于板材中的树脂导热性差，而铜箔线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。

（4）对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路(或其他器件)按纵长方式排列，或按横长方式排列。

（5）避免电路板上热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在电路板上，保持电路板表面温度性能的均匀和一致。

（6）将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置。

（7）高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。

三、散热实例举例—笔记本电脑的散热

笔记本的主要散热首先当然是来源于CPU这个发热大户，不过在笔记本中，CPU的热量却不是整个笔记本热量的全部。并且早期的CPU处理器发热量并不是非常的大，只需要有简单的被动散热方式即可以满足机器的散热需要，也就是大家平常熟知的散热片散热。不过随着CPU处理器的不断升级，处理器的散热需求可算是非常迫切了。其次，显卡的热量也占了不小的比例，早期的显卡热量不是很大，不过现在很多高端机器经常配置好显卡，于是热量也跟着增加了不少。然后，就是其他的一些发热配件，比如内存、硬盘、电池等，也是笔记本发热量的一些来源。通常，笔记本有以下散热方式：

（1）风扇散热。目前很多笔记本的散热方式之一是风扇散热。风扇分为轴向型风扇和辐射型风扇两种。一般来说，轴向型风扇，成本较低，风量可以根据需要调节，不过占用的体积比较大，无法将笔记本做得很薄。另一种辐射型风扇叶片很薄，气流方向很好，无涡流，占用体积较小，不过成本相对较高，但是大多数笔记本普遍采用，主要是考虑到减小笔记本的体积。

                                                    图4 风扇散热

（2）热管散热。热管散热最初由IBM引进，由于热管比较适用于那些体积空间较小、短时间散热、热源附近空间较小的机器，热管散热技术在笔记本中越来越多地得到使用。

                                                    图5  热管散热

                                       图6 双风扇散热
 

（3）双风扇散热。这样的散热方式往往出现在性能比较强劲的一些机器上，一个风扇肯定是为CPU散热服务的，而另外一个则是根据机器情况的不同而给不同的地方散热，有的机器是为显卡散热，有的机器则仍然为CPU服务。双风扇的设计会更加省电，因为单风扇时必须使用大功率，双风扇则无须如此，这样就可以减小噪音。CPU使用双风扇，只需要低功率的风扇，并根据热量来运行，就会有更低的噪音，并且延长寿命。

（4）通过机器自身散热。一些超轻薄的机器由于自身体积的限制，无法安装风扇散热，就利用机器自身的部件来散热，通过键盘辅助散热和机器金属外壳将机器自身内部的热量散发出去。

（5）水冷散热。顾名思义，水冷散热就是利用水来代替空气，通过水的运动在散热片之间通过热对流来带走多余的热量。水冷系统的工作原理很简单，就是利用水泵把水从储水器中抽出来，通过水管流进覆盖在CPU上面的热交换器，然后水再从热交换器的另外一个口出来，通过水管流回储水箱，就这样不断循环，把热量从CPU的表面带走。整个水冷系统包括热交换器、循环系统、水箱、水泵和水等。水冷系统的散热能力非常强劲，非常适合一些超频爱好者采用。

（6）液冷散热。严格地说，液冷散热的原理和水冷散热相同，它们采用的散热方式是一样的，不同的是在循环系统中流动的书导热硅而非水，这样的好处显而易见，它不会由于循环系统的破坏使得流出的硅油导致电脑硬件的损坏。

                                                图7 液冷散热

除了以上介绍的主动散热方式外，还有半导体致冷片散热、压缩机制冷散热、液氮散热等方式。