图像

可避免热管理错误的主板设计指南

Boyd设计和制造散热解决方案已有50多年的历史,并与全球各地的合作伙伴合作,从世界上最大的公司到小型本地初创公司。在这样做的过程中,我们已经看到了热挑战造成的破坏,这些挑战本来是很容易预防的。不规划散热解决方案可能会耗费时间、金钱和资源,并导致大量返工甚至大规模设备故障。

认真考虑一下您的冷却需求可对您的设备成功起到实质性的作用,同时还能避免将来因为成本高昂而饱受困扰。在任何行业,每项电子设计都应该考虑下文列出的因素。

多技术热管组件

如果不未雨绸缪,会出现什么状况?

在研发过程中如未及早考虑热管理问题,所耗费的成本会更多。尽管带来的财务影响可能令人咋舌,但冷却方案不充分引起的后果包括无法按期完成任务、产品故障和召回、成本高昂的重新设计和返工、材料废弃、安全问题以及无休止的挫败。

冷却方案不达标的影响包括无法通过产品审核、可靠性低、产品寿命短、噪音问题、维护成本高以及产品性能整体不佳。此外也难以实现前向兼容性。糟糕的解决方案无法推进并用于下一代产品,但经过优化的解决方案则能增加下一代产品的可能性。

简单而言,重要的是您必须花时间并努力优化您的冷却方案并及早把它纳入您的设计过程。

多技术热管组件

您的散热解决方案如何影响您的设计 - 从电路板到最终产品

在设计电路板时考虑到适当的冷却可以改变电路板的整个布局。工程师在设计和制造电路板时通常会意识到没有安装散热器的空间,或者所需的解决方案对于最终产品来说太大了。

热管理通常是事后的想法,许多人认为他们只是找到一个具有正确封装的散热器,然后简单地将其贴在上面。现实情况是,选择合适的散热器和设计电路板以正确适应它有很多因素。

热源和其他组件的位置会影响我们冷却解决方案的尺寸和形状。相反,从另一个角度看系统,冷却解决方案的大小和形状会影响您应该将热源放置在何处。安装孔会影响走线的布线,并可能阻止在某些位置进行安装。RAM 位置可能是散热器大小的决定性因素,但散热器的大小会影响 RAM 的放置位置。

在整个过程中,您必须考虑最终产品。触摸温度、气流、环境空气直接接触都是重要因素。外壳的尺寸和形状以及产品的尺寸和重量要求都会影响您的热管理选择以及电路板布局。

设计电路板时的散热注意事项

很多时候,工程师在设计和旋转电路板时只考虑电子功能。这很容易导致忘记,在许多情况下,您的散热解决方案可能最终成为电路板上最大的组件,或者可能需要流路或通风孔。因此,在旋转电路板之前,请计划为热管理解决方案腾出空间,并考虑全板和封装。在计划时,请务必问自己以下问题:

板级/布局

最终产品是否由于体积或重量限制(即片剂)而禁止使用散热器?

如果由于最终产品的设计限制而无法包括散热器,请考虑在电路板中使用热通孔。热通孔是PCB中的导电迹线,有助于将热量从热源上散开。

您是否应该为您的散热解决方案设计一个禁区?您是否有垂直间隙来容纳相对较高的散热器?或者您是否有足够大的占地面积来分散散热器?

确保有足够的可用音量来放置散热器。如果需要比热源更大的散热器,则需要确保附近没有较高的组件会干扰散热器的放置。例如,不要将 RAM(垂直放在主板上)非常靠近处理器,因为它可能需要散热器。

能否将多个设备散热器到单个底座?

如果您有多个需要冷却的设备,则可能需要考虑将它们放在足够近的位置,以便能够在多个设备上使用一个散热器。这有助于降低产品复杂性和装配时间。请记住,这仅在某一点上有效。如果器件将耗散更高的功率,您将需要将它们间隔在电路板上,并确保为单独的较大散热器留出空间。

您将如何将散热器连接到设备或电路板上?

如果您将使用安装硬件,请确保将过孔和其他设备从可能需要放置孔或焊钩的区域布线,以适应更大的散热器。请注意,如果您使用的是磁带,它将不如物理硬件健壮。胶带不会提供与薄粘合线接口材料结合机械连接方法相同的热性能。

气流/最终产品

您的电路板上有气流吗?您会使用风扇进行强制对流,还是依靠自然对流来散热?

您是否需要风扇取决于功率密度、总功率和环境空气的可用性等因素。考虑一下您的整个电路板是否需要冷却或仅冷却单个设备。这将有助于确定您的电路板布局和风扇的位置。

您的气流将如何影响您的其他组件?

不要忽视被动和主动冷却中的空气预热效果。将温度最敏感的设备保持在气流的上游。尝试沿气流方向错开散热装置,以尽量减少一个加热另一个。

您的主板是否在外壳中?

当您需要通过外壳散热或提供通风时,您的冷却解决方案将变得更加复杂。您可能需要考虑外部散热器或使用机箱作为散热器。空对空热交换器也是一个可行的选择。

如果您使用的是自然对流,您的电路板和散热器是否旨在增强烟囱效应?

您的散热器的翅片间距需要优化,以充分利用烟囱(或烟囱)效应。这是当产生的热量与散热器翅片的方向和间距相结合时,热量会更快地从热源中移动。方向不正确会抑制散热器的热性能。

设计电路板时最常见的 5 个热错误

  • 未为设备周围的“禁止”区域留出足够的空间来容纳散热器。
  • 不考虑系统级气流和空气移动器放置。这方面的一个例子是在流道中放置高大或笨重的设备,禁止空气流动。
  • 在需要安装孔的区域布线电路。
  • 次优 RAM 放置,阻碍气流、自然对流或散热器放置。
  • 不考虑PCB的背面。例如,不允许为推针和安装硬件留出空间。

如果为时已晚怎么办?潜在的快速修复

  • 在自然对流散热解决方案中添加风扇将快速提高其性能。尽管此修复程序确实有其自己的注意事项。这些包括功耗,噪音和额外的音量。
  • 通过在外壳中切割开口来提供额外的通风。请注意,此选项可能会影响 IP 分级。
  • 添加一个小的铜吊具,有时被称为“热创可贴”,当您只需要稍微提高热性能时,可以提供帮助。这些解决方案最适合低功耗、薄型应用。
  • 将当前的散热器换成具有相似尺寸但具有更好热性能的散热器。例如,将铝制散热器更换为铜散热器,或用先进的翅片型解决方案替换散热器,以允许更大的表面积。在这种情况下,成本可能是一个限制因素。

最终思路

事后才考虑热管理可能是灾难性的。尽管有许多增强功能可用于“修复”您的解决方案,但没有什么可以取代在设计电路板时考虑到您的冷却解决方案。通过超前思考,您可以避免代价高昂的错误,并确保您的产品针对性能、可靠性和使用寿命进行了优化。

Boyd Design可以提供帮助。Boyd早在概念开发时就提供工程服务,直到全面改造。我们的工程师可以在从概念到制造和后代的整个产品开发周期中提供持续的支持。通过在一开始就引入Boyd,您的团队不仅可以避免热管理不足的后果,还可以确保您的产品得到充分优化以取得成功。

有疑问?我们随时可以提供帮助!