增强PCB热传导的控制电路和具有该电路的PCB板的制作方法

增强pcb热传导的控制电路和具有该电路的pcb板
技术领域
1.本技术涉及芯片散热的技术领域，特别涉及一种增强pcb热传导的控制电路和具有该电路的pcb板。


背景技术：

2.印刷电路板pcb上的芯片常被封装在金属焊盘片上，作为芯片散热的热通道之一，芯片热量从底部焊盘中散发并传导到pcb板的铜皮上，再经由pcb铜皮和过孔将热散发出去。其中，芯片产生的热量大约50～80％可通过pcb传导，剩余热则通过封装表面散发。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种增强pcb热传导的控制电路和具有该电路的pcb板，以解决相关技术中pcb板上的芯片散热受限的技术问题。
4.第一方面，提供了一种增强pcb热传导的控制电路，包括中央处理器cpu、至少一个开关支路和至少一个tec热偶元件；
5.所述中央处理器cpu与所述开关支路的控制端相连；
6.所述tec热偶元件与所述开关支路串联后一端接地，另一端接正向电源vcc，所述tec热偶元件的制冷端用于接pcb上的待降温区域，制热端用于接pcb上tec热传导后的散热区域；
7.同时，所述中央处理器cpu被配置为在pcb上的芯片温度超过设定的温度时控制所述开关支路来使得所述tec热偶元件将所述待降温区域的热量传导至所述散热区域。
8.一些实施例中，若所述tec热偶元件的数量为多个，则多个所述 tec热偶元件均通过同一个所述开关支路受控于所述中央处理器 cpu。
9.一些实施例中，所述中央处理器cpu支持结温检测；或者，
10.所述控制电路还包括分压电阻r3和负温度系数的热敏电阻r
ntc
；所述分压电阻r3与所述负温度系数的热敏电阻r
ntc
串联后一端接正向电源，另一端接地，且所述热敏电阻r
ntc
靠近所述分压电阻r3的一端与所述中央处理器cpu的检测管脚相连。
11.一些实施例中，所述开关支路包括nmos管，则所述nmos管的栅极与所述中央处理器cpu的输出端相连，漏级与所述tec热偶元件相连，源极接地。
12.一些实施例中，所述开关支路包括pmos管和三极管q，则所述 pmos管的源极接所述正向电源vcc，漏级与所述tec热偶元件相连，栅极通过所述三极管q受控于所述中央处理器cpu。
13.一些实施例中，所述开关支路还包括分压电阻r1和分压电阻r2，所述三极管q的集电极依次串接所述分压电阻r1和分压电阻r2后接所述正向电源vcc，且所述分压电阻r1远离所述三极管q的一端与所述pmos管的栅极相连，所述三极管q的基极与所述中央处理器 cpu的输出端相连，发射极接地。
14.一些实施例中，所述tec热偶元件与所述开关支路串联的支线上串设一限流电阻
r0。
15.第二方面，提供了一种具有如上述的增强pcb热传导的控制电路的pcb板。
16.一些实施例中，所述tec热偶元件的制冷端通过焊接在pcb板的待降温区域，制热端焊接在pcb板的散热区域。
17.一些实施例中，若所述待降温区域包括top层，则所述散热区域包括bot层，所述tec热偶元件插装在pcb通孔中；或者，
18.若所述待降温区域包括芯片端铜皮，则所述散热区域包括外围铜皮，且所述tec热偶元件跨接在所述芯片端铜皮与所述外围铜皮之间；或者，
19.若所述待降温区域包括表面pcb，则所述散热区域包括tce顶部，且该tce顶部连接于散热装置。
20.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：利用半导体制冷器 tec的热泵原理，将pcb上存在温度差的两个区域通过tec热偶元件搭连起来，解决pcb上的芯片散热受限的弊端，提高pcb上的热传导性能。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例提供的第一种增强pcb热传导的控制电路的电气连接图；
23.图2为本技术实施例提供的第二种增强pcb热传导的控制电路的电气连接图；
24.图3为控制电路在pcb板层间的热传导阻碍应用中的主要结构示意图；
25.图4为本技术实施例提供的一种具有增强pcb热传导的控制电路的pcb板。
26.本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
29.本技术实施例提供了一种增强pcb热传导的tec(thermoelectriccooler)控制电路，其利用半导体制冷器tec的热泵原理，将pcb上存在温度差的两个区域通过tec热偶元件搭连起来，解决pcb上的芯片散热受限的弊端，提高pcb上的热传导性能。
30.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.如图1～2所示，本技术实施例提供一种增强pcb热传导的控制电路，包括中央处理
器cpu、至少一个开关支路和至少一个tec热偶元件；
32.所述中央处理器cpu与所述开关支路的控制端相连；
33.所述tec热偶元件与所述开关支路串联后一端接地，另一端接正向电源vcc，所述tec热偶元件的制冷端用于接pcb上的待降温区域，制热端用于接pcb上tec热传导后的散热区域；
34.同时，所述中央处理器cpu被配置为在pcb上的芯片温度超过设定的温度时控制所述开关支路来使得所述tec热偶元件将所述待降温区域的热量传导至所述散热区域。
35.在本实施例中，所述开关支路、tec热偶元件的数量均为1个，该开关支路与tec热偶元件串联后能在该tec热偶元件上形成制冷端和制热端，该tec热偶元件的制冷端连接在pcb上温度较高的待降温区域，制热端则连接在pcb上温度较低的散热区域。
36.当中央处理器cpu检测到pcb上的芯片温度超过设定的温度后，中央处理器cpu通过gpio端口向开关支路的控制端发送一个开关闭合的信号，此时tec热偶元件通电并在待降温区域形成制冷端，散热区域形成制热端，tec热偶元件作为一个新的热传导通道，以使得热量通过tec热偶元件主动地由待降温区域向散热区域传导，避免pcb 上出现冷凝现象，也进一步实现了温控。
37.当中央处理器cpu检测到pcb上的芯片温度并未超过设定的温度时，待降温区域的温度还处于安全范围，中央处理器cpu通过gpio 端口向开关支路的控制端发送一个开关断开的信号，此时tec热偶元件不通电，待降温区域与散热区域之间的新热传导通道不工作，也避免热偶元件长期持续地进行非必要地作业，耗损能量。
38.一般来说，pcb上的tec热偶元件数量一般是多个的，多个tec 热偶元件既可以由一个开关支路控制，也可以有至少两个开关支路控制，当然也可以由一个开关支路控制一个tec热偶元件。
39.优选地，若所述tec热偶元件的数量为多个，则多个所述tec热偶元件均通过同一个所述开关支路受控于所述中央处理器cpu。
40.在pcb上，需要增强热传导的区域并非一处，根据pcb的散热情况，主要划分为三类热传导阻碍，一个是横向热传导阻碍，一个是pcb 板层间的热传导，再一个是pcb局部过热，这三种情况导致了pcb上温度非均匀分布，以红外线检测的pcb温度分布为例，pcb上高低温差可达20～40℃。故而针对于这三类热传导阻碍，本实施例搭建三个 tec热传导通道，那么假设本实施例中所述tec热偶元件的数量为三个，则三个tec热偶元件既可以由三个开关支路各自单独控制，也可以由一个开关支路进行同步控制。为了进一步精简元件的数量和保持 pcb板的简化，优选地由一个开关支路与三个tec热偶元件均相连。
41.如图3所示，以pcb板层间的热传导阻碍为例，在pcb的布局上， cpu、wifi、fem等芯片常布局在top层，背后的bot层则分布电阻、电容、磁珠等器件，其中，top层表示的是pcb焊接芯片的外表面层，bot层表示的是pcb中与top层对应的另一个外表面层。芯片产生大量热量导致pcb的top层表面温度高，而两层之间的fr-4 玻璃纤维材料在z向(厚度方向)热导率典型值仅为0.25w/mk，那么由于两层之间fr-4材料的热传导率很低，top面热量不能快速地传导至bot面铜皮散发，而top面热量聚集导致了芯片超温。
42.在本实施例中，pcb的top面和bot面之间的自然热传导效率很低，在该top面和bot面的通孔中插装焊接tec型热偶元件，也即top面和bot面通过tec热偶元件形成一个热传导
通道，在该tec 热偶元件通电时，tec热偶元件能够将top面的热量快速传导至bot 面，从而加快pcb板层间的热传导，改善芯片散热性能。
43.以pcb横向热传导阻碍为例，现如今，芯片集成化程度越高，pcb 走线越密集，器件排布也越紧密，进而导致芯片周围pcb铜皮被分割成多块，使得芯片底部的热量经铜皮传到至外部的路径不通畅，热量聚集导致了芯片超温。同时，就远离芯片的外围pcb区域而言，其大片铜皮温度较低，且热传导路径被pcb走线隔断，其散热性能也未得到充分的利用。
44.很明显，pcb上在靠近热源芯片的铜皮被走线隔断，隔断的两部分铜皮上焊接tec热偶元件的传热管脚，也即芯片端铜皮和外围铜皮通过tec热偶元件形成一个热传导通道，在该tec热偶元件通电时， tec热偶元件能够将芯片端铜皮的热量快速传导至外围铜皮，从而加快热源芯片周围pcb的热传导，改善芯片散热性能。
45.以pcb局部过热为例，在实际中，pcb上常出现多个芯片集中在一个区域，向空气中热辐射的热量太少，进而导致该区域的pcb铜皮超温，也即pcb局部过热。在本实施例中，在pcb板的芯片周围铜皮上焊接tec热偶元件，具体来说，该tec热偶元件的制冷端贴装在表面pcb上，制热端通过tec顶部以导热垫或导热硅脂等界面材料来与散热器连接，在tec热偶元件通电后，tec热偶元件将表面pcb的热量传导至tec顶部，再通过散热器散发到空气中，进一步提高了热传导效率，改善芯片散热性能。
46.可见，在pcb上根据不同的需求，布设合适数量的tec热偶元件，能够全方位地实现pcb的热传导效率。
47.优选地，所述中央处理器cpu支持结温检测；或者，
48.所述控制电路还包括分压电阻r3和负温度系数的热敏电阻r
ntc
；所述分压电阻r3与所述负温度系数的热敏电阻r
ntc
串联后一端接正向电源，另一端接地，且所述热敏电阻r
ntc
靠近所述分压电阻r3的一端与所述中央处理器cpu的检测管脚相连。
49.在一个具体的实施例中，所述中央处理器cpu支持结温检测，并根据结温检测的结果来通过gpio端口输出相应的mcu_ctr信号；其中，结温指的是是电子设备中半导体的实际工作温度，在本实施例中，所述中央处理器cpu自带结温检测功能。
50.然而，在实际的应用中，并非所有的中央处理器cpu都能够支持结温检测的，对于不具备结温检测能力的中央处理器，在本实施例中搭建一个温度检测回路，该温度检测回路主要有串联的分压电阻r3和负温度系数的热敏电阻r
ntc
，且热敏电阻r
ntc
的另一端接地，分压电阻r3的另一端接正向电源vcc，通过热敏电阻随温度发生的阻值变化能够使得分压电阻r3和热敏电阻r
ntc
之间的电压改变改变，那么中央处理器cpu的adc检测管脚通过分压后的电压变化来检测出当前的温度，并就检测出的温度与设定的温度进行比较来判断通过gpio 端口发出何种电平信号。
51.在本实施例中，开关支路主要由mos管构成，下面以nmos管和pmos管两种实施例进行阐述。
52.如图1所示，在一个优选的实施例中，所述开关支路包括nmos 管，则所述nmos管的栅极g与所述中央处理器cpu的输出端相连，漏级d与所述tec热偶元件相连，源极s接地。具体来说，所述nmos 管的栅极g通过电阻r4与所述中央处理器cpu的gpio端口连接。
53.在本实施例中，若gpio端口输出高电平信号，则直接驱动nmos 管导通，此时，tec热偶元件通电，tec热传导通道形成。若gpio 端口输出低电平信号，则直接驱动nmos管截
止，此时，tec热偶元件未通电，tec热传导通道没有形成。
54.如图2所示，在另一个优选的实施例中，所述开关支路包括pmos 管和三极管q，则所述pmos管的源极s接所述正向电源vcc，漏级 d与所述tec热偶元件相连，栅极g通过所述三极管q受控于所述中央处理器cpu。
55.进一步地，所述开关支路还包括分压电阻r1和分压电阻r2，所述三极管q的集电极c依次串接所述分压电阻r1和分压电阻r2后接所述正向电源vcc，且所述分压电阻r1远离所述三极管q的一端与所述pmos管的栅极g相连，所述三极管q的基极b与所述中央处理器cpu的输出端相连，发射极e接地。
56.具体来说，所述三极管q的基极b通过电阻r4与所述中央处理器cpu的gpio端口连接。该三极管q为npn型三极管。
57.在本实施例中，若gpio端口输出高电平信号，npn型的三极管导通，集电极c处的电平为低电平，也即pmos管的栅极s接收到低电平信号，pmos管导通，此时，tec热偶元件通电，tec热传导通道形成。反之，若gpio端口输出低电平信号，则npn型的三极管截止，集电极c处的电平为高电平，pmos管截止，此时，tec热偶元件未通电，tec热传导通道没有形成。
58.进一步地，所述tec热偶元件与所述开关支路串联的支线上还串设一限流电阻r0。
59.其中，所述限流电阻r0既可以串联在tec热偶元件接正向电源 vcc的线路上，也可以串联在tec热偶元件接地的线路上。
60.在本实施例中，在所述正向电源vcc的输出线路上串设一个限流电阻r0，通过该限流电阻r0和正向电源vcc的搭配来调整流经tec 热偶元件的最大电流。
61.在本实施例中，利用tec热偶元件的热泵原理，构建pcb微散热通道，也是微型的热传导通道，增强pcb板层间或是pcb横向热传导或者pcb局部过热的热传导性能，均衡pcb上的温度分布；且tec 热偶元件是主动式的热传导通道，让热量按照预设的热传导通路快速从制冷端流向制热端，导热性能高于自然热量流动，可以在短时间内快速降低芯片周围pcb的温度，适合集成化、小型化或是薄型的集成电路应用，也适合在热密度高、热对流较差或者是散热空间小的产品上应用，还可采用多个tec热偶元件在pcb上进行分布式散热，快速地将热量传递出去。
62.如图4所示，本技术实施例还提供一种具有如上述的增强pcb热传导的控制电路的pcb板。
63.进一步地，所述tec热偶元件的制冷端通过焊接在pcb板的待降温区域，制热端焊接在pcb板的散热区域。
64.在本实施例中，所述tec热偶元件的具有管脚，比如电极管脚1 和2，传热管脚3和4，通过对各个管脚进行焊接以连接到合适的位置。
65.优选地，若所述待降温区域包括top层，则所述散热区域包括bot 层，所述tec热偶元件插装在pcb通孔中；或者，
66.若所述待降温区域包括芯片端铜皮，则所述散热区域包括外围铜皮，所述tec热偶元件跨接在所述芯片端铜皮与所述外围铜皮之间；或者，
67.若所述待降温区域包括表面pcb，则所述散热区域包括tec顶部，且该tec顶部连接于散热装置。
68.其中，所述散热装置可以为pcb上的散热器、风扇或金属外壳等。
69.在本实施例中，根据pcb的散热情况，主要划分为三类热传导阻碍，一个是pcb板层间的热传导，一个是横向热传导阻碍，再一个是 pcb局部过热，这三种情况导致了pcb上温度非均匀分布，以红外线检测的pcb温度分布为例，pcb上高低温差可达20～40℃。故而针对于这三类热传导阻碍，本实施例搭建三个tec热传导通道，那么假设本实施例中所述tec热偶元件的数量为三个，则三个tec热偶元件既可以由三个开关支路各自单独控制，也可以由一个开关支路进行同步控制。为了进一步精简元件的数量和保持pcb板的简化，优选地由一个开关支路与三个tec热偶元件均相连。
70.如图3所示，以pcb板层间的热传导阻碍为例，在pcb的布局上， cpu、wifi、fem等芯片常布局在top层，背后的bot层则分布电阻、电容、磁珠等器件，其中，top层表示的是pcb焊接芯片的外表面层，bot层表示的是pcb中与top层对应的另一个外表面层。芯片产生大量热量导致pcb的top层表面温度高，而两层之间的fr-4 玻璃纤维材料在z向(厚度方向)热导率典型值仅为0.25w/mk，那么由于两层之间fr-4材料的热传导率很低，top面热量不能快速地传导至bot面铜皮散发，而top面热量聚集导致了芯片超温。
71.在本实施例中，pcb的top面和bot面之间的自然热传导效率很低，在该top面和bot面的通孔中插装焊接tec型热偶元件，也即top面和bot面通过tec热偶元件形成一个热传导通道，在该tec 热偶元件通电时，tec热偶元件能够将top面的热量快速传导至bot 面，从而加快pcb板层间的热传导，改善芯片散热性能。
72.以pcb横向热传导阻碍为例，现如今，芯片集成化程度越高，pcb 走线越密集，器件排布也越紧密，进而导致芯片周围pcb铜皮被分割成多块，使得芯片底部的热量经铜皮传到至外部的路径不通畅，热量聚集导致了芯片超温。同时，就远离芯片的外围pcb区域而言，其大片铜皮温度较低，且热传导路径被pcb走线隔断，其散热性能也未得到充分的利用。
73.很明显，pcb上在靠近热源芯片的铜皮被走线隔断，隔断的两部分铜皮上焊接tec热偶元件的传热管脚，也即芯片端铜皮和外围铜皮通过tec热偶元件形成一个热传导通道，在该tec热偶元件通电时， tec热偶元件能够将芯片端铜皮的热量快速传导至外围铜皮，从而加快热源芯片周围pcb的热传导，改善芯片散热性能。
74.以pcb局部过热为例，在实际中，pcb上常出现多个芯片集中在一个区域，向空气中热辐射的热量太少，进而导致该区域的pcb铜皮超温，也即pcb局部过热。在本实施例中，在pcb板的芯片周围铜皮上焊接tec热偶元件，具体来说，该tec热偶元件的制冷端贴装在表面pcb上，制热端通过tec顶部以导热垫或导热硅脂等界面材料来与散热器连接，在tec热偶元件通电后，tec热偶元件将表面pcb的热量传导至tec顶部，再通过散热器散发到空气中，进一步提高了热传导效率，改善芯片散热性能。
75.可见，在pcb上根据不同的需求，布设合适数量的tec热偶元件，能够全方位地实现pcb的热传导效率。
76.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本
领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
77.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
78.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。