电子器件安装在PCB板上,PCB是复杂的多层结构,其中导热系数高的铜层,被导热系数低的环氧玻璃夹在中间。铜的导热系数385
,环氧玻璃的导热系数0.35
。由于两者导热系数的巨大差异,PCB整体具有很强的各向异性。也就是在平面方向和法向的导热系数不同。
通常PCB板的平面热导率
和法向热导率
,可以通过下面的计算求出。一个PCB板厚度为
,表面积为
,长度为
,宽度为
。那么各个铜层的厚度为
,那么各个环氧玻璃层的厚度为
,如下所示。
那么法向热阻
,可以看作是一系列热阻的串联,如下式所示进行计算。

那么代入铜层和环氧玻璃层的热导率,上式变为。

令
,
分别为铜和环氧玻璃层的厚度。
那么法向热阻
定义,如下所示。

又有
,那么法向热导率,解得结果如下所示。

下面计算平面热阻
,可以把铜层和环氧层看成并联热阻。那么平面热阻定义如下。

那么代入铜层和环氧玻璃层的热导率,上式变为。

代入
,
,上式转化为。

所以,PCB的平面等效热导率,如下所示。

PCB可能会带有热通孔,热通孔可以用来提高PCB厚度方向的传热效果。热通孔是先在PCB上打孔,然后在这些孔的內缘镀铜形成,这样热通孔与PCB的上下两端的铜层相连,增大了PCB法线方向的热导率。

对于单个热通孔来说,其热阻如下。

PCB上不含热通孔部分的热阻,如式所示。

含热通孔的PCB的法向热阻
,可以等效成
个热通孔的热阻与PCB上不含通孔区域的热阻并联。

含通孔的PCB的法向等效导热系数
,如下所示。

PCB板如下所示,其中铜层厚度
=0.07mm,环氧玻璃厚度
=1.43mm,铜的热导率385
,环氧玻璃的导热系数0.35
,热通孔13个,热通孔的内径3为mm,外径为6mm。计算等效传热系数如下所示。

1) 不考虑热通孔
计算平面传热系数,如下。

计算法向传热系数,如下

可以看出PCB板的平面传热系数远大于法向传热系数,约为43.8倍。
2) 考虑热通孔
考虑热通孔和不考虑热通孔,平面传热系数是相同的。
计算法向传热系数,首先计算单个热通孔的热阻如下所示。

PCB上不含热通孔部分的热阻,如式所示。

含热通孔的PCB的法向热阻
,计算如下所示。

含通孔的PCB的法向等效导热系数
,计算如下所示。

可以看出考虑热通孔之后,法向等效导热系增大了16倍。
3) 冷板散热状态仿真计算
冷板两侧设定温度边界22℃,施加相应功耗如下所示。

当不考虑热通孔时,设定相应的各向异性热导率,如下所示。

计算结果如下所示。
当考虑热通孔时,设定相应的各向异性热导率,如下所示。
计算结果如下所示。

把PCB删除后,计算结果如下。
折合导热垫的热阻效应,计算结果如下。

为导热垫热导率,
为导热垫的截面积,
为导热垫厚度。
代入上述数据后,
.
将上述仿真结果,总结如下表所示。
计算最高温度 | |
考虑热通孔 | 31.06℃ |
不考虑热通孔 | 31.46℃ |
删除PCB板,并折合导热垫热阻 | 31.75℃ |
可以看出,主要采用冷板散热的结构形式,PCB板的热阻并不是很重要。但如果是星载舱外载荷,印制板的热阻就十分重要。
4) 星载舱外载荷散热状态
设置PCB背面辐射状态和热载荷状态,如下所示。

考虑热通孔的计算结果如下
不考虑热通孔的计算结果如下

可以看出计算结果相差38 ℃,对于星载舱外印制板类型载荷,需要考虑热通孔作用。
介绍了PCB板的各向异性传热特性,并推导了PCB板平面及法向热导率,发现热通孔能够显著改善印制板的法向热导率。但是以冷板传热为主的散热结构,印制板的热导率计算并不是很有必要,通过对比仿真分析也说明了这一点。而星载舱外散热状态,就需要考虑印制板的热导率特性。