优化散热片设计 - 通过过孔连接 PCB 背面的散热垫

电器工程散热器热的通过 7805

2022-01-27 13:17:07

在我当前的一个项目中，我使用 D2PAK 封装中的MC7805从可用的 24 VDC 电源生成我的 5 V 逻辑电源。电路所需的电流为 250 mA。这导致 MC7805 的功耗为：

$P=(24\ V-5\ V)*230\ mA=4.37\ W$

PCB 必须组装到一个内部装有 MC7805 的小型塑料外壳中。安排是这样的：

所以像这样的散热器是不可能的。此外，外壳本身的体积很小，而且会发热。

我第一次尝试解决这个热问题是在焊盘上添加通孔并在 PCB 的另一侧制作裸露焊盘。像这样我想在外壳外面散热。显然这还不够好，因为 MC7805 的热过载保护在大约一分钟后启动。

所以我在 PCB 背面的裸露焊盘上添加了一个小散热器，现在它似乎可以工作了（散热器仍然很热！）。

除了我的试错方法之外，我还想更好地理解这种热设计并对其进行优化（到目前为止，我不能说结的温度是多少，因此我不知道这有多可靠）。

我已经阅读了其他几个问题，但到目前为止我仍然不完全清楚（即使将功率视为电流，将温度视为电压，将电阻视为热阻，热设计一直让我感到困惑......）_

所以关于这个设计我会有几个问题：

使用过孔时，过孔的镀层会传导热量，而过孔中的空气或多或少是隔离的。因此，如果没有填充焊料，您需要最大化通孔的铜面积，以最小化顶层到底层的热阻。当我保持阻焊掩模打开时，通孔应该用焊膏覆盖并在回流焊接时填充。为了最大限度地减少顶层和底层之间的热阻，我认为最好有尽可能多的“孔”面积。这个假设正确吗？
是否有一种“不太复杂”的方法来计算结和底部焊盘之间的热阻？
如果没有，我可以以某种方式测量这个热阻（使用温度传感器吗？
由于顶部焊盘和 D2PAK 外壳也会散发一些热量。我可以（按照电阻类比）将它们并联吗？该系统的热敏电阻网络是什么样的？

我想进一步优化这个热设计。

我无法增加外壳和 PCB 的尺寸。

我无法添加风扇。

我无法增加顶层焊盘的尺寸。

我已经将底部垫的尺寸增加到最大可能的 20 毫米 x 20 毫米（上图提到两个垫都为 15 毫米 x 15 毫米。

你看到我可以优化的任何进一步的东西吗？

4个回答

好的，首先我将尝试给热工程一个不错的小入门，因为你说你想更好地处理它。听起来你已经理解了这些术语，已经看到了一些数学，但真正的直觉理解还没有形成，那就是“啊哈！” 灯泡熄灭的那一刻还没有发生。这是一个非常令人沮丧的点！别担心，坚持下去就会得到。

关于热材料的最重要的部分：

1. 就像单向电一样。所以让我们使用欧姆定律。

热流就像电流一样，只是没有“回流”，热量总是从高电位流向低电位。在这种情况下，潜力是热能。力量是我们的电流。而且，方便地，热阻是……电阻。

否则，它是完全一样的。瓦特是你的放大器，你的电流。事实上，这是有道理的，因为更多的瓦特意味着更多的热流，对吧？就像电压一样，这里的温度是相对的。我们不是在谈论任何时候的绝对温度，而只是谈论事物之间的温差或电位差。因此，当我们说存在 10°C 的潜在温度时，这仅仅意味着一件东西比我们正在谈论的另一件东西高 10°C。环境温度是我们的“基础”。因此，要将所有这些转换为真正的绝对温度，您只需将其添加到环境温度之上。

像您的 LM7805 这样产生热量的东西被完美地建模为恒流源。因为功率就是电流，它就像一个恒功率器件，不断产生4.4W的热量，所以它就像一个恒流源，产生4.4A。就像恒流源一样，恒流源会将温度（如恒流源的电压）提高到维持电流/功率所需的高度。什么决定了将要流动的电流？热阻！

1欧姆真的是说你需要1伏的电位差才能推动1A的电流通过。同样，虽然单位很时髦（°C/W），但热阻也是如此。1 °C/W 就像 1 Ω。您将需要 1°C 的温差来推动 1 瓦的热“电流”通过该电阻。

更好的是，诸如电压降、并联或串联热电路之类的东西都是一样的。如果热阻只是沿您的热路径（“电路”）的较大总热阻的一部分，那么您可以找到任何热阻上的“电压降”（温度升高），方法与您找到电阻两端的电压降。您可以将它们添加为系列，1/(1/R1....1/Rn)，就像您添加并联电阻一样。这一切都有效，无一例外。

2.但事情变热需要时间！

欧姆定律并不是真正的定律，而最初是一个经验模型，后来意识到只是基尔霍夫定律的 DC 极限。换句话说，欧姆定律只适用于稳态电路。这同样适用于热气流。我上面写的所有内容只有在系统达到平衡时才有效。 这意味着您已经让所有耗散功率的东西（我们的恒定“电流”电源）这样做了一段时间，因此所有东西都达到了固定温度，只有通过增加或减少功率，任何东西的相对温度才会发生变化。

这通常不会花费太长时间，但也不是即时的。我们可以很清楚地看到这一点，因为事情需要时间来升温。这可以建模为热电容。基本上，它们需要时间来“充电”，你会看到热物体和冷物体之间的温差很大，直到它们达到平衡。您可以将大多数对象视为至少两个串联电阻（一个用于热接触点，另一个用于热接触点。例如焊盘的顶部和底部），中间有一个电容器。在这种情况下，这并不是特别相关或有用，在这种情况下，我们只关心稳定状态，但我想我会为了完整性而提及它。

三、实用性

如果我们将热量等同于电流，那么它都流向了哪里？它正在流入环境。出于所有意图和目的，我们通常可以将环境视为一个巨大的、无限的散热器，无论我们向其中注入多少瓦特，它都会保持固定的温度。当然，情况并非如此，房间会变热，电脑当然可以加热房间。但是在5W的情况下，没问题。

结到外壳的热阻，然后是外壳到焊盘，焊盘到 pcb 另一侧的焊盘，底部焊盘到散热器，最后是散热器到空气，形成了我们的总热电路，所有这些热阻都增加了up是我们真正的热阻。您正在查看的那些图表，这些图表仅查看系统一部分的电阻，而不是整个系统。从这些图表中，您会认为一个正方形的铜可以耗散一瓦特并且仅上升 50°C。仅当电路板具有魔力且无限大且永远不会预热时，这才是正确的。有问题的结将比电路板热 50°，但如果您已将电路板加热到 200°C，这不是很有用。无论哪种方式，您都超过了工作温度。

不幸的现实是自然对流在冷却东西方面非常糟糕。散热器有很大的表面积以增加对流冷却，并且通常被阳极氧化为黑色以增加其辐射冷却（黑色物体辐射的热量最多，而闪亮/反光的物体几乎不辐射。就像天线一样，善于传输就很好在接收时，这就是为什么深色到黑色的东西在阳光下会变得如此热，而闪亮的东西根本不会变热。它是双向的）。但是您会发现大多数散热器对自然对流具有相当高的热阻。检查数据表，通常散热器的热阻是针对散热器上气流的某个最小 CFPM 的热阻。换句话说，当有风扇吹空气时。自然对流会很大热性能较差。

保持结和散热器之间的热阻相对容易。焊点的热阻可以忽略不计（尽管焊料本身不是很好的热导体，至少与铜相比），铜仅次于银（至少在普通的非奇异材料中。钻石、石墨烯等是导热性更高，但在 Digikey 上也没有）。甚至电路板的纤维类基板在导热方面也不是很糟糕。这不好，但也不可怕。

困难的部分实际上是将热量散发到环境中。这始终是瓶颈。以及为什么工程很难。就个人而言，我设计大功率 DC/DC 转换器（除其他外）。效率不再是你想要的东西，而是你需要的东西。您需要 <x>% 的效率才能使 DC/DC 转换器尽可能小，因为它根本无法散发任何额外的废热。在这一点上，单个组件的热阻是没有意义的，无论如何它们都紧密耦合在一块铜板上。整个模块将加热直到达到平衡。理论上，没有一个单独的组件实际上具有足够的热阻来过热，但是作为一个大块物体的整个电路板可以加热，直到它自行拆焊为止'

而且，正如我之前所说，自然对流在冷却事物方面真的很糟糕。它也主要是表面积的函数。因此，一块铜板和一块具有相同电路面积的电路板将对环境具有非常相似的热阻。铜会使整个热量更均匀，但它不会比玻璃纤维消耗更多的功率。

它归结为表面积。而且数字不好。1 cm^2 代表大约 1000°C/W 的热阻。因此，100mm x 50mm 的相对较大的电路板将是 50 个正方形，每个正方形厘米，每个平行热阻为 1000°C/W。因此，该板对环境的电阻为 20°C/W。因此，在您的 4.4W 情况下，您在板上做什么、焊盘尺寸、热通孔等都无关紧要。4.4W 将把电路板加热到比环境温度高 88°C 左右。而且没有办法绕过它。

散热器所做的是将大量表面积折叠成一个小体积，因此使用一个会降低整体热阻并且一切都变得不那么热。但一切都会升温。良好的散热设计与将热量从您的小部件中移除一样重要。

您的散热器和外壳设置做得很好。但是，您担心的是错误的事情。没有一种简单的方法可以通过 pcb 计算焊盘的热阻，但是在您遇到收益递减问题之前，它只需要大约 17% 的焊盘专用于过孔的区域。通常使用间距为 1mm 的 0.3mm 过孔并像这样填充导热垫会给您带来尽可能好的效果。只要这样做，你就没有理由担心实际价值。你关心的是整个系统，而不是一个路口。

您确实遇到了一个问题，即从结点到较大的电路板和将热量散发到环境中的表面的热阻过高，因此组件过热。要么热量不能足够快地扩散到散热表面的其余部分，要么可以，但没有足够的表面足够快地将其消散到环境中。您已经通过提供从 LM7805 到散热器的低阻抗热路径解决了这两种可能性，它本身提供了更大的表面积和许多额外的热量逸出位置。

外壳、电路板等当然最终还是会变热。就像电流一样，它遵循与电阻成比例的所有路径。通过提供较小的总电阻，作为热“电流”源的 LM7805 不需要变得非常热，并且其他路径在它们之间分配功率（“电流”），并且最低电阻路径（散热器）将成比例地得到更热。通过提供通过散热器的优先热路径，您可以将其他所有部件保持在较低温度。但是其他一切仍然会有所帮助，并且仍然会或多或少地热身。

因此，要回答您的具体要点问题： 您不需要测量结到底部焊盘的热阻，并且知道它不是有用的信息。它不会改变任何东西，而且无论如何你都无法真正改进它。

使用耗散如此大功率的线性稳压器是不明智的。您的 PCB 将像加热器一样。这意味着从 5.52 瓦功率开始，只有 1.15 瓦是有用的功率，使您的效率达到 20.8%。这是可怕的低。

能不能提高效率？是的当然。如果您使用 110/230VAC 电源，您可以使用变压器将电压降低到更合适的电压，然后将其转换为 12VDC 并将其用作输入，然后您可以使用 2.76 瓦的 1.15 瓦，从而为您带来 41.7% 的效率。降低输入电压有帮助。当然，您必须了解一个事实，即即使将它们视为低压差 (LDO) 稳压器，它们在能源方面也不会非常有效。他们应该这样做，因为调节器的某些部分存在电压降。只有当能量损失非常低并且我想要一些快速的解决方案时，我才会使用调节器。

如我所见，这个建议可能不是一个选项，因为您已经有一个 24VDC 电源。好吧，那么我总是建议使用开关稳压器。许多制造商提供的其中很多-Linear Technology，Maxxim，TI等。其中大多数都附有一些可以作为有用指导的原理图。他们中的许多人在没有进一步调整的情况下工作。只要确保您正确阅读数据表并按预期放置组件，您可能会获得 90% 甚至更高的效率。

你看到我可以优化的任何进一步的东西吗？

不用想太多，大约10 11 12 13 浮现在脑海中。

导热垫面积
结壳热阻
薄PCB
铜或银填充过孔
热环氧树脂
MCPCB
热密封剂
裸铜
散热片
案例发射率
排气孔
方向
切换器

根据您使用的热图，您可能正在使用 On Semi。
查看数据表时，最重要的特性是什么？

对于这个设备有两个。

导热垫面积

On Semi 的规模较小，仅为 STS 的 73%。

STS pad     12.20 x 9.75 = 118.95
ON Semi pad 10.49 x 8.38 =  87.9062

结壳热阻

与 On-Semi 相比，STS 的结到导热垫的热阻低 40% 。

On Semi 5 C°/W
STS     3 C°/W  40% Less

薄PCB

轻松将热通孔的热导率提高一倍或三倍。

导热系数公式

d 距离

使PCB更薄（距离更小）并增加热通孔的导热率。

层压板厚度：0.003" 至 0.250"

当前PCB厚度 0.062

降低到 0.031 无需任何成本，而且您的热导率翻倍。

370HR PCB 材料类似于具有更高温度的 FR4，但可提供 0.020 厚度的非常合理的充电，这将使导电率增加三倍。

铜和银填充过孔

PCB制造商一直在做铜填充微孔。
铜的导电性比空气好。

铜或银

热环氧树脂填充过孔

如果铜不适用于您的供应商和您的钱包，请用标准热环氧树脂填充通孔。导热环氧树脂的导电性一直在提高。

非导电填充物的热导率为 0.25 W/mK，而导电膏的热导率为 3.5-15 W/mK。相比之下，电镀铜的热导率超过250W/mK。

热密封剂

您可以将电路板封装在导热材料中。比空气好。Mean Well 对 HLG 系列等电源进行了此操作。

底部填充剂和密封剂
导热粘合剂，（一份或两份）
EMI 屏蔽和涂层
导电或导热粘合剂
非流挂粘合剂或凝胶
导电粘合剂，（环氧树脂 ECA 或有机硅 ECA）
高性能环氧树脂，例如低 CTE 环氧树脂
低 CTE 粘合剂
保形涂层，或灌封或封装
特殊应用的环氧树脂粘合剂，例如用于 LED 的光学环氧树脂
热间隙填充材料
导热粘合剂，（一份或两份）
RTV 密封剂或热固化粘合剂和密封剂

MCPCB

金属芯PCB

有人提到铝PCB。没有人提到铜PCB，一些铝的PCB材料供应商也提供铜代替铝。

实心铜

裸铜

您的 Thermal Pad 是 HASL 涂层，为什么不是裸铜。

大多数人担心铜氧化。我喜欢氧化。说我疯了，但铜的发射率只有 0.04 左右。那是抛光铜，氧化铜是0.78，和氧化铝一样。

计算一个铜焊盘会消散多少。

输入元件瓦数，铜面积得到温度。

散热片

内部层可与埋孔一起使用以创建扩展平面。热通孔的概念依赖于用作散热器的内层

案例发射率

外壳可以由具有高导热性和高发射率的聚合物制成。

导热聚合物

排气孔

在 PCB 上钻孔以进行循环。外壳上的通风孔。

方向

你的盒子是倒置的。

底部的散热器是最差的。侧面或顶部要好得多。

这款500 瓦被动冷却设备 25.0”L x 15”W x 3”H
将散热器安装在设备顶部。

切换器

这不是线性稳压器的工作。如果您使用切换器，就不会遇到这些问题。我认为有人将切换器放在 78xx 尺寸或更小的机箱中。它们在那里而且价格便宜。

简单的 2.00 美元开关，带有小 10µH 电感器
24V_输入，5V_输出，250mA

物料清单

Cin   TDK          C1005X5R1V225K050BC $0.10
Cout  MuRata       GRM31CR61A226KE19L $0.15
L1    Coilcraft    LPS4018-103MRB  $0.80
Rfbb  Vishay-Dale  CRCW0402383KFKED
Rfbt  Vishay-Dale  CRCW04022M00FKED
Rpg   Vishay-Dale  CRCW0402100KFKED
U1    TI           TPS62175DQCR  $1.00