手机PA与PCB板的热设计理论分析及应用

手机PA 与PCB 板的热设计理论分析及应用（PASSIONRFSOS ）

【摘要】

手机的PA 是对于整个发射电路来说非常重要，不仅仅因为它对发射指标,发射性能影响很大而且PA 电流消耗占手机总电流的近60%以上,由于它本身的效率低,绝大多数能量都要以热能的方式消耗掉, 从而PA 也是手机发热的主要源头之一. PA 应用无论是对发射性能的改善,整机电流消耗提高通话时间, 还是由于PA 散热问题而关联到的PCB 板及整机的热设计都有着很大的影响. 本文主要描述从热量传递的方面,通过热设计的一些基本理论和方法,对PCB 板及手机的热设计提出分析与改善建议

【关键词】手机PCB 热设计

图 2.1 红外线下PA 发热示意

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图 2.2 PA 在不同功率下的发热曲线

随着手机,PDA 等手持设备的普遍, 体积空间越来越来小, 电子器件的密度越来越高, 同时也就对于热设计的要求越来越高, 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。

电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。

由于CDMA 信号相对GSM 信号来言对线形要求比较高，故多采用CLASS AB 型的功放 ，效率比较低，大功率下的理论效率最高不过40%远低于GSM 功放的55% ， 那也就是说对于CDMA PA 大于 60% 的功率将以热能的形式消耗掉，

例如1.9G CX 77140 对于我们目前校准要求PA 的实际有效输出功率是27的dBm ， 约501mW , 而总体消耗功率为正常PA 工作电压3.6V 与消耗电流约450mA , 3.6*0.45=1.62W, PA 此时的效率约为0.501/1.62*100%=31% ，而以热的形式消耗的能量就 高达 70% 1.1W, 这些热量如果不能及时迅速的散出去，就会很快提高PCB 板的温度，产生手机严重的发热问题。更重要的是导致电子元器件的可靠性因温度升高而失效，也即系统可靠性大大降低。因此,对电子设备而言,即使是降低1℃,也将使其设备的失效率降低一个可观的量值。例如,统计数据表明,民航的电子设备每降低1℃,其失效率将下降4%,可见温升的控制(热设计)是十分重要的问题。

目前国产手机都有长时间通话后发热比较大问题的, 热设计不仅仅是PCB 布局与电子器件发热的问题,还包括前期的ID 设计, 结构的设计,这是一个整体的设计,要不然等手机出现了发热过大的问题后再希望通过其它补救措施来改进的话,会是非常难的,而且效果也不明显, 原来有个例子，是直板机设计,设计初期没考虑到热设计因素, 屏幕比较薄, 离PCB 近, 而且PCB 布局时屏幕的正下方的PCB 板上就是整个手机里发热量最大占整机消耗电流近一半的PA, 在大功率通话几分钟后,PA 温度就可达到60度, 这样热量会通过PCB, LCD 迅速传递到屏幕上,而屏幕的位置正是贴近耳朵脸颊的位置,对温度升高比较敏感,当通话二十几分钟后, 屏幕的温度让人感觉非常不舒适. 所以从这个案例中我们看到,热设计的重要性。

1.1热设计的理论基础

现在的热设计主要遇到的挑战有更小体积便携产品的流行， 封闭的结构没有流动的空气，功率消耗器件封装变小，没有传统的Heat Sinks. 所以现在的热设计主要的就是如何在去掉传统的Heat Sinks.后如何高效的进行PCB 设计来解决只有较小封装，较小POWER PAD 大功耗IC 的散热问题以及影响整机温度的问题。

热传递主要分为，热传导，热对流，热辐射。

热传导 ：主要是热量通过材质间的直接传导传递。对于手机PCB ，主要是PA 等发热量比较大的器件通过PCB 横向或纵向直接传导热量。

热对流 ： 热量从表面到静止或流动的空气传递。但由于手机PCB 上，对PA PM 等器件都有屏蔽罩，罩的空气基本处于静止状态，所以对与手机PCB 板来说，多为静止方式的热对流。

热辐射： 热量通过表面向空间传递到另一个物体上，对于手机这种方式比较少。

对于温度传导我们首先要提出一个概念就是热阻，热量在不同介质材料中传导时也会有阻力一样的现象。对于PCB 板如图2.4 我们可以建立一个简单的用热阻概念建立的模型以便以我们的分。析。

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图 2.4 手机PA 的PCB 应用图

θjc 是器件外壳的热阻

θcs 是PCB 接触表面的热阻θFR4 PCB 板内总体热阻θsa 板子与空气的热阻

当消耗PDISS 通过器件外壳，PCB 接触表面，在通过FR4板内，一直到PCB 板的底层传递到空气中。 PCB 的温度就可以通过简单的公式来表示。

当然我们在这里忽视了一个因素，就是每个接触面的接触面积，厚度，这些系数也是很大影响到散热的能量多少。

对于手机板主要的热传递是热传导与热对流，我们主要来对以上两上传导方式下的不同材质的热阻的计算进行分析。

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1.2 对于热传导的理论分析

热传导两种方向的传导效率比较。

横向传导的热阻计算 垂直向传导的热阻计算

图 2.4 热传导两种方向的传导效率

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不同材料的热传导性分析

表 2.1 不同物质热传导性系数

对于不同的物质我们可以看出铜热传导性是最高3.6，而FR4 PWB 是最差的0.00025，也就是对于手机PCB 板是一个非常差的热导体只有铜 14400之一.，所以如何解决大散热的问题就要通过其他方式，合理的布局，LAYOUT 来控制。

Via hole 对于减小PCB 板垂直向的热传导非常有用的，可见合理的多数量的打散热孔是一个非常有

效的散热方式。

IC 与PCB

的接触热阻：

由于IC 现在的封装越来越小,而散热量却还是一样的, 所以连接IC 的铜的处理方式技巧就应该进一步提高. 通过加厚铜层的厚度, 多层PCB, 使用更多的VIAS, 都是一些很好的方法.

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1.3 从以上对热传导的分析,我们可以初步得出一些结论:

1.传热路径越短越好

2.FR4板是比较差的导热体,沿垂直方向要比沿着它的横向方向热传导效率更高.

3.多数量的金属化散热孔是提高热沿PCB传导的有效方式

4.使用薄的FR4板子和较厚的铜层, 可提高热沿着PCB传输能力

5.POWER PAD 的逐步减小了IC 与PCB 的接触面积.ΘPCB 是我们应该关注的系数.

2.1对于热对流的理论分析

由此我们可以看出热量从表面的传导与ΔT , 表面面积, 和高度有关,与材料本身并没有关系.热阻可由以下公式给出.

从对热对流一些其他实验我们可以得出以下简单结论1.相同面积的不同材料的表面只会辐射相同的热量2.材质温度的升高是热传导系数影响

3. 最小的PCB 面积可以用温升Tpcb-TAMB 来估计

4.

通过以上两式,

就可以估算出相对对流所需要的面积

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2.2 对于热辐射的理论分析

一般来说热辐射对于散热的贡献只有热对流50%左右.

图 2.5 热辐射的示意图

如图2.5所示在70度环境下的一个热辐射的模拟,可以看出热辐射的热量是比较小的.

3. 手机印制电路板温升因素分析

3.1 印制板中温升的2种现象：　（1）局部温升或大面积温升；　（2）短时温升或长时间温升。

对于手机PCB 板而言一般是局部温升比较明显，温度在初期上升比较快，随着时间增加趋势变缓最终会达到平衡。在四十分钟后温度逐渐上升很缓，LCD 处最高温度保持在44度附近。

3.2.电气功耗

　（1）分析单位面积上的功耗；　（2）分析PCB 板上功耗的分布。　

对于手机板发热功耗比较大的器件依次包括PA ，PM ，Transmitter ,Receiver 3.3 印制板的结构

　（1）印制板的尺寸；　（2）印制板的材料。　

手机板一般的尺寸都不是很大，器件比较密集，材料多为6到8层的FR4 板3.4 热辐射

　（1）印制板表面的辐射系数；

　（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度；　3.5 热对流

　（1）自然对流；　（2）强迫冷却对流。

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　从PCB 上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是

互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

4. 手机板热设计的一些基本处理方法

4.1选材

　（1）印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不应过高。根据选用的板材可能不同）。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素。尽可能选择更厚一点的覆铜箔。采用多层板结构有助于PCB 热设计。

4.2 保证散热通道畅通

(1）充分利用元器件排布、铜皮、开孔及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道,保证热量顺利导出PCB 。

由于手机内的器件大部发热器件在屏蔽罩内,空气接近静止,经过测试结果表明屏蔽罩上开孔的方式基本效果不明显.

（2）散热通孔的设置　

设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。

在PA 器件的焊盘上设立导通孔。在电路生产过程中焊锡将其填充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜泊散发掉。

在一般的应用中,使用者应该焊接PAD 上放置大量的导热孔.对于一个4*4MM 面积一般可放置16个导热孔, 表面铜厚0.025MM, 越厚的铜越能减小热阻,有助于降低接触面的温度.

对于每一个导热孔的热阻可简单计算如下:

Rth 是热阻℃/W, σ是导热系数W/m*K, Ro R1和 长度 L 是每个导热孔的内外半径与长度.

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举个例子, 对于一个0.032”厚的扳子,0.001”大小平面, 使用热传导率为390W/m* K, 对于每一个导热孔的热阻约为80℃/W .则所有的热阻就可以用上面的公式除以总体的散热孔数目, 如果是16个孔整个的热阻就只有80/16 =5 ℃/W,

通过图 软件模拟我们可以看到对于一个FR4板上有16个散热孔的温度分布状况. 如果对于一个1.9G PA 举例来计算, 它的功耗共1.62W, 则估算的穿过板子的温升就为 5 ℃/W*1.62W=8℃ , 例如环境温度为28度左右,只是才用过孔我们可以估计手机板温度是36℃, 当然这与我们实际的测试值38度还有一定误差, 我们只是用这种方法来进行简单的估算.

图 7

散热孔的热传导模拟

图 8 ,所示是一种常用的PA 下方打散热孔的几种的方式.

对于PA 下方的焊盘的打孔可根据实际情况,对数量,大小进行合理的设计.

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(3) 采用表面大面积散热铜皮可保证的情况下，出于经济性考虑可不采用加散热片的方法；

由上图可以看到对于PA附近的地面积越大,越有利于散热效率,有利于温度的降低.

（4）导热材料的使用　

为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料，提高热传导效

率。使用隔热片,散热片只是能延缓温升的时间,但在一定的时间后由于热量的平衡,温度在后期改善效果并不明显

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（软性硅胶导热绝缘垫是传热界面材料中的一种，具有良好的导热能力和绝缘特性，其作用就是填充发热功率器件与散热器之间，是替代导热硅脂导热膏加云母片（绝缘材料）的二元散热系统的最佳产品。

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随着电子设备不断将更强大的功能集成到更小组件中， 温度控制已经成为设计中至关重要的挑战之一，即在架构紧缩，操作空间越来越小的情况下，如何有效地带走更大单位功率所产生的更多热量。每降低10℃对敏感元器件的正常使用及使用寿命具有重要意义。该产品的导热系数是1.75W/mK,抗电压击穿值在4000伏以上，本身具有一定的柔韧性，很好的贴合功率器件与散热铝片或机器外壳间的从而达到最好的导热及散热目的，符合目前电子行业对导热材料的要求。 软性硅胶导热绝缘垫的规格是200x400mm,工艺厚度从0.5mm~5mm 不等,每0.5mm 一加,即0.5mm 1mm 1.5mm 2mm 一直到5mm,特殊要求可增至10mm,专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产,能够填充缝隙,完成发热部位与散热部位的热传递，特别适用于汽车、显示器、计算机和电源等电子设备行业。）

4.3元器件的排布要求

　（1）对PCB 进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制；

　（2）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区；　（3）使传热通路尽可能的短；　（4）使传热横截面尽可能的大；

　（5）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （6）电容器的最好远离热源；

（7）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，并远离其他器件，并保证散热通道通畅；

（8）（小信号放大器外围器件）尽量采用温漂小的器件；

4.4布线时的要求

　（1）板材选择（合理设计印制板结构）；

　（2）布线规则；

　（3）根据器件电流密度规划最小通道宽度；特别注意接合点处通道布线；

（4）要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积；接触平面应平整、光滑 （5）散热铜皮需采用消热应力的开窗法，利用散热阻焊适当开窗；　（6）视可能采用表面大面积铜箔；

（7）尽可能多安放金属化过孔, 且孔径、盘面尽量大，依靠过孔帮助散热；

（8）根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积(保证原则tj ≤（0.5～0.8）tjmax)。

(9) 为了提高印制板自身的散热能力，应适当增加铜箔的厚度，尤其是多层板的内导体

此外，还应适当加宽印制板地线的宽度，对于地线．太平面接地不仅可以有效地提高电路的抗干扰能力，而且还具有很好的散热效果，因为这些大面积的铜箔如同金属散热片一样，能迅速向外界散发印制电路板中的热量。

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参考资料

1. PCB的热设计 中兴通讯上海一所系统部 作者:：杜丽华 蔡云枝

2. Thermal Considerations for Power Amplifiers ANADIGICS Application notes

3.Thermal Design Considerations for Surface Mount Layouts , Fredric Cha ,Texas Instruments

4.Thermal Design Considerations of Exposed Pad IC

5. 印刷电路板的热可靠性设计 ， 生建友，总参第六十三研究所，江苏南京2100167. 基于有限元的PCB 板上关键元件热可靠性分析

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