全封闭产品的高温运行散热设计：如何提高理论计算值？

ziruo2002ab

要求在全封闭空间设计一块板子，用全封闭是因为风扇寿命太短且引入的灰尘不好处理。

要求：长期运行至少达到60°C，70°C运行十几个小时不能有问题

参数：板子面积50CM^2，8层板全覆铜。平均功耗4W最高不超过5W，芯片10x10左右尺寸，单个芯片功耗不超过1.5W


IC的散热模型：


粗略计算：
IC散热可以兵分两路，一路往PCB，然后pcb再通过空气对流散热。另外一路是向上到达IC的外壳，在通过与空气对流散热

往PCB散热：
PCB面积50CM^2，热阻至少15°C/W（保守估计20°C/W），板子总功耗4W则PCB温升4*15°C/W=60°C
芯片10x10mm，芯片下面最多打十几个过孔，每个过孔150°C/W左右，那么junction-to-board热阻12°C/W（忽略junction-2-case Bottom，一般很小），1.5W功耗温升18°C。
两者相加：60+18=78°C，+外部环境温度70°C+内部空气温升15°C=160°C左右，哈，哪里算错了吗？

往芯片顶部散热。junction-to-case Top：30°C/W。不加散热片，那么温升30*1.5=45°C+空气温度85°C=130°C
加散热器，一块50*50*10的散热片热阻勉强做到20°C/W，那么温升30*1.5W(单个芯片功耗，板子有好几个芯片)=30°C+空气温度85°C=115°C，勉强可以过（以125°C为门限）

哪里算错了吗？为什么结果比直觉差那么多？是否哪里可以改进？

最大的bug应该是PCB板的温度：功耗4W面积50CM^2 PCB板，在空气温度85C时，温度会达到145C？

PCB的热阻来源于经验公式：15CM^2 PCB板，功耗1W则温升40C左右
With only natural convection (i.e. no airflow), and no heat sink, a typical two sided PCB with solid copper fills on both sides, needs at least 15.29 cm2 (≊ 2.37 in2 ) of area to dissipate 1 watt of power for a 40°C rise in temperature.

wye11083

你算的没毛病。7x7cm 6层板，全开放环境，3.5w功耗，fpga功耗3w，室温25度左右，全开放环境无散热片，10分钟稳定温度fpga 84度，fpga背面65度左右，板边可能不到50度。所以密封环境7x7cm的板子可以灌封。

secreteer

没毛病，但是一般全封闭这么大的功率一般都会灌封把热量导到外壳

monkeynav

尽量把芯片的热量均匀传递到外壳，充分利用机壳对外散热

ziruo2002ab

1. 熱阻是並聯的，兩條路徑計算出來的熱阻要進行平均，實際熱阻比任何一條路徑的熱阻都小
2. 實際熱傳導、對流時，兩條路徑會自動平衡。比如，pcb面積較大，或者有灌封，那麽熱傳導一般主要通過pcb這條路徑走掉。相反，如果芯片能夠直接接散熱片或外殼，那麽就主要走這條路。對於散熱方向的估計，有利於估算總體的熱阻。
3. 數據手冊給出的θJA, θJC, θJB 都是基於單一路徑的假設，並且測試過程中還假設不相關量的熱傳導能力是相當接近理想的。工程實際關心的是基於實際運行pcb板下的ψJB ψJT。因此根據手冊數值計算得到的數據會偏保守，有時候保守很多。
4. 計算過程，一般要迭代，這是任何具有多個互相影響的變量的系統參數的估算的必經過程。工程中可能沒有必要那麽嚴謹，作為初步估算，迭代一兩次就夠了。
5. 有專業的熱仿真軟件，根據散熱條件（pcb散熱能力、外殼、對流、風速，過孔，各個熱源的位置、功率、熱阻，材料的導熱係數），估算暫態和穩態後的整板散熱熱力模型，跟pspice仿真電壓電流差不多。只要對材料熱參數建模夠準確，就能達到相當好的估算結果。這樣的軟件，對於一般使用可能用不上，但是基於簡化的分塊物理建模還是有一定必要的。
6. 廠家根據JEDEC 51-7等模型給出θJA, θJC, θJB參數，對於評估芯片的散熱能力，估算結溫是重要的。但是，並不能直接用它來計算實際pcb運行下的熱力模型，因為參數測量所採用的pcb狀態與實際使用的pcb狀態千差萬別。
7. 環境溫度越高，熱阻越大，一般從25到80C，熱阻增大20%左右。
8.灌封胶对于大电源模块芯片是个解决问题的办法。但是对于精密的板子，用到BGA芯片等器件则是个完全不可行的办法。首先，板子太大很难灌封，其次板子根本就不可能封装成模块，再次灌封起来出问题基本就废了，毫无可维修性，最后，BGA的热膨胀系数一定与灌封胶一样吗？芯片体积大，受力可以承受，精密的芯片经得起这样的折腾吗。
9. 另外，灌封胶其实散热能力是非常拉垮的。其导热系数才接近1左右，比pcb、玻璃好不了多少，也就是说，一旦它厚起来，它的散热能力就不行了。因此，只适合于小型模块。
10.电脑cpu散热采用非常大型的散热风扇。但是对于工业品，风扇的寿命短暂及其维护的麻烦是不可接受的。总之，散热量大板子小就是个麻烦的问题。

qwe2231695

pcb局部阻焊开窗，焊接铜片，铜片上贴散热片