[经验]

PCB热设计之x和z间隙对Tj的影响

2023-4-21 15:00:28

517 PCB板 MOSFET

　　5.3 在PCB周围增加x和z间隙
　　到目前为止，我们考虑过的所有案例都在PCB的边缘和外壳之间有物理接触。虽然接触面积很小，但是从图6中可以看出，通过这条路径传递的热量是非常大的，在黑色塑料外壳的情况下大约占总热量的20%。
　　不过，在真实条件中，一些配置可能会在PCB边缘和外壳之间存在气隙——可能是为了提供电隔离或其他用途，如机械原因。引入这样的气隙将改变模块内可用的热路径，并且不可避免地影响安装在PCB上的MOSFET器件的温度。
　　为了研究PCB周围空气间隙的影响，我们重新操作了之前的模型，但是这次的x和z间隙分别为5mm和10mm。参见图8所示。

　　图8：PCB板周围的间隙。
　　5.3.1 黑色塑料外壳。
　　黑色塑料外壳的结果如图9所示。

　　（1）Tj黑色塑料（5mm间隙）。
　　（2）Tj黑色塑料（10mm间隙）。
　　（3）Tj黑色塑料（无间隙）。
　　图9：x- z间隙对黑色塑料外壳Tj的影响
　　虽然我们在引入间隙时可以看到一些不同，但可以认为其影响并不显著——大约2.5℃。这是因为塑料材料不是热的良好导体，所以进入外壳的传导不是主要的热路径（见图6）。此外，增加的角度因子导致了辐射传热的改善。因此，去除导热路径并不会导致温度的剧烈变化。
　　5.3.2 抛光铝外壳
　　可以预计，铝外壳会产生更显著的影响，因为铝是比塑料更好的导热体，因此，去除这种传导路径对Tj的影响应该更大。抛光铝外壳的结果如图10所示。

　　（1）Tj抛光铝（5mm间隙）。
　　（2）Tj抛光铝（10mm间隙）。
　　（3）Tj抛光铝（无间隙）。
　　图10：x和z间隙对抛光铝外壳Tj的影响。
　　在这种情况下，在PCB周围增加x和z间隙的效果更为明显，特别是当y间隙增加时，当y间隙为10mm时，会产生约20℃的差异。通过去除PCB边缘的传导路径，我们增加了PCB和外壳之间的热隔离：
　　•消除了PCB和外壳之间的直接传导。
　　•空气中的热量流动仍然很差，因为空气仍然停滞不前。
　　•辐射换热也很差，因为铝的表面发射率很低。
　　5.3.3 阳极化铝外壳
　　对于阳极化铝外壳，添加x和z间隙的效果不太明显。参见图11。

　　（1）Tj阳极化铝（5mm间隙）。
　　（2）Tj阳极氧化铝（10mm间隙）。
　　（3）Tj阳极化铝（无间隙）。
　　图11：阳极化铝外壳x-和z-间隙对Tj的影响
　　虽然在本例中我们已经失去了模块内的直接传导热路径，但由于外壳材料的表面光面，辐射热路径仍然非常有效。因此，Tj的变化并不像抛光铝材料那样大。
　　5.3.4 三种外壳汇总
　　这三种外壳类型的结果都显示在图12的图中。这张图使我们能够比较三种材料类型在PCB和外壳之间没有直接传导时的影响。

　　（1）Tj抛光铝（5mm间隙）。
　　（2）Tj抛光铝（10mm间隙）。
　　（3）Tj黑色塑料（5mm间隙）。
　　（4）Tj黑色塑料（10mm间隙）。
　　（5）Tj阳极化铝（5mm间隙）。
　　（6）Tj阳极氧化铝（10mm间隙）。
　　图12所示。x-和z-间隙对三种外壳材料Tj的影响
　　应该记住，外壳的表面处理也会影响其外层表面如何在辐射过程中向环境损失热量。例如，抛光铝材料不仅内部表面和PCB之间的辐射传热较差，而且外表面和当地环境之间的辐射传热也较差。
　　5.3.5 小结：在PCB周围增加x和z间隙
　　l 在PCB和外壳之间增加一个间隙，就可以消除这些部件之间的直接导热路径；
　　l 对于黑色塑料外壳来说，空气间隙对Tj的影响不是很大，因为塑料是一种不好的导热体，而且表面之间的辐射交换也很好；
　　l 对于y间隙较大的抛光铝外壳，由于铝是良好的导热体，辐射交换差，其效果更为显著；
　　l 阳极化铝材料的温度变化介于前两组结果之间。这是因为，虽然铝具有良好的导热性，但阳极化铝的表面性质允许良好的辐射换热；
　　l 并排地看，阳极化铝和黑色塑料材料观察到的温度是相当相似的，而抛光铝的结果是更高的——特别是对于较大的y-gap；
　　l 外壳的导热系数和发射率也会影响通过外壳以及外壳外表面到周围环境的热路径。

原作者：booksoser 汽车电子工程知识体系