高溫PCB-用于高溫應(yīng)用的電路板

眾所周知，設(shè)計人員正在從印刷電路板中擠出更多性能。功率密度正在上升，隨之而來的高溫可能對導(dǎo)體和電介質(zhì)造成嚴重破壞。升高的溫度-無論是由于I2R損耗還是環(huán)境因素引起的-都會影響熱阻和電阻抗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能不穩(wěn)定（即使不是完全故障）。導(dǎo)體和電介質(zhì)之間的熱膨脹率差異（衡量材料受熱時膨脹和冷卻時收縮的趨勢的量度）會產(chǎn)生機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂和連接失敗，尤其是在電路板受到周期性加熱和冷卻的情況下。如果溫度足夠高，則電介質(zhì)可能會完全失去其結(jié)構(gòu)完整性，從而使第一個多米諾骨牌陷入困境。

發(fā)熱一直是影響PCB性能的一個因素，設(shè)計人員習(xí)慣于在其PCB中加入散熱片，但是當(dāng)今高功率密度設(shè)計的要求經(jīng)常使傳統(tǒng)的PCB熱量管理方法不堪重負。

減輕高溫的影響不僅對高溫PCB的性能和可靠性，而且對以下因素也具有深遠的影響：

l 組件（或系統(tǒng)）重量

l 申請規(guī)模

l 成本

l 電源要求

甲高溫電路板通常被定義為一個與Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）高于170℃。

對于連續(xù)的熱負載，在低于Tg約25°C的工作溫度下，高溫PCB應(yīng)遵循簡單的經(jīng)驗法則。

因此，如果您的產(chǎn)品在130°C或更高的溫度范圍內(nèi)，則建議使用高Tg的材料。

最常見的高Tg材料包括：

l -ISOLA IS410

l -ISOLA IS420

l -ISOLA G200

l -勝藝S1000-2

l -ITEQ IT-180A

l -雅隆85N

在本文中，我們將討論高溫PCB制造和PCB組裝中使用的一些設(shè)計方法和技術(shù)，以幫助設(shè)計人員應(yīng)對高溫應(yīng)用。

與經(jīng)驗豐富的PCB制造和裝配供應(yīng)商合作，并與工程師合作處理和修改多種布局，以準(zhǔn)備電子互連的制造和裝配，這對于復(fù)雜的項目至關(guān)重要。

PCB散熱技術(shù)與設(shè)計注意事項

熱量通過一種或多種機制（輻射，對流，傳導(dǎo)）消散，設(shè)計團隊在決定如何管理系統(tǒng)和組件溫度時必須牢記這三個因素。

輻射

輻射是電磁波形式的能量發(fā)射。我們傾向于認為它僅是發(fā)光的事物，但事實是，溫度高于絕對零的任何物體都會輻射熱能。雖然通常輻射熱量對電路板性能的影響最小，但有時可能是稻草折斷了駱駝的后背。為了有效地去除熱量，電磁波應(yīng)遠離源具有相對清晰的路徑。反射表面使光子的外流受挫，導(dǎo)致大量光子在其源上發(fā)生反射。如果不幸的情況是反射面共同形成了拋物線鏡效應(yīng)，它們會集中許多光源的輻射能量，并將其聚焦在系統(tǒng)的一個不幸部分上，從而造成真正的麻煩。

對流

對流是將熱量傳遞到空氣，水等流體中。對流是“自然”的：流體從熱源吸收熱量，密度降低，從熱源上升到散熱器，冷卻，變得更稠密，再回到熱源，然后重復(fù)該過程。（回想一下小學(xué)的“雨周期”）其他對流是由風(fēng)扇或水泵“強迫”的。影響對流的關(guān)鍵因素是源與冷卻劑之間的溫度差，源傳遞熱量的難易程度，冷卻劑吸收熱量的難易程度，冷卻劑的流量以及傳熱的表面積。液體比氣體更容易吸收熱量。

傳導(dǎo)性

傳導(dǎo)是通過熱源與散熱器之間的直接接觸進行的熱傳遞。從許多方面講，它類似于電流：源和宿之間的溫差類似于電壓，單位時間內(nèi)傳遞的熱量類似于安培數(shù)，熱量流經(jīng)熱導(dǎo)體的難易程度類似于電流。電導(dǎo)。實際上，構(gòu)成良好電導(dǎo)體的因素也往往也構(gòu)成良好的熱導(dǎo)體，因為它們都代表分子或原子運動的形式。例如，銅和鋁是熱和電的極好導(dǎo)體。較大的導(dǎo)體橫截面可提高熱量和電子的傳導(dǎo)性。就像電路一樣，長而曲折的流動路徑會嚴重降低導(dǎo)體的效率。

通常，從電路板上去除熱量的主要機制是將熱量傳導(dǎo)到合適的散熱器，對流將熱量傳導(dǎo)到環(huán)境中。熱量會直接從源中散發(fā)出一些熱量，但通常是通過專門設(shè)計的通道（稱為“散熱孔”或“散熱孔”）將大部分熱量帶走。PCB散熱器相對較大，發(fā)射率高的表面（通常是波紋狀或帶鰭狀，以進一步增加表面積），與導(dǎo)電（例如銅或鋁）背襯粘合，這是一項勞動強度大的過程。PCB散熱器也可以連接到設(shè)備的機箱，以利用其表面積。通常，風(fēng)扇用于提供冷卻空氣流，在極端情況下，冷卻空氣本身可在氣液熱交換器中冷卻。

歸根結(jié)底，設(shè)計人員可用的熱量管理選項包括降低功率密度，將設(shè)備與熱源分離或隔離，提供更強大的冷卻機制（例如，更大的風(fēng)扇，液體冷卻系統(tǒng)等），增加尺寸。散熱片的可及性，使用更大的導(dǎo)體或使用能夠承受更高溫度的特殊材料。所有這些都會對整個系統(tǒng)的成本，大小和重量產(chǎn)生影響，因此必須在最早的概念開發(fā)和設(shè)計階段就予以考慮。

新的熱管理技術(shù)

PCB制造商充分意識到標(biāo)準(zhǔn)制造方法的局限性，并通過提供專門針對高溫設(shè)計的新型PCB來努力應(yīng)對當(dāng)今的設(shè)計挑戰(zhàn)。這些PCB均采用沉重的銅電路來提高其載流能力，同時降低I 2 R損耗，但是它們的實現(xiàn)方式可能會有很大差異。

正如描述所暗示的那樣，我們越來越多地看到“重銅”和“極銅”板比標(biāo)準(zhǔn)PCB使用更厚，更重的銅層。如果到處都不需要重（或極端）銅，則可以將重銅電路和標(biāo)準(zhǔn)銅電路組合在一起，以允許在單個板上承載電源電流和信號電流。

除了特殊的蝕刻和電鍍技術(shù)外，重/極銅PCB的制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)PCB相似。優(yōu)點是更大的載流能力，更低的I 2 R損耗，更高的機械強度，具有合并高效車載散熱片和車載平面變壓器等功能的能力以及減小的產(chǎn)品尺寸（由于該能力）將重型和標(biāo)準(zhǔn)電路組合在一塊板上）。相對成本較低，因為板載散熱器不需要繁瑣的手工制造標(biāo)準(zhǔn)粘合散熱器。

另一種方法是嵌入沉重的矩形銅線，以代替沉重/極端的銅鍍層。與標(biāo)準(zhǔn)PCB相比，優(yōu)勢與重/極銅PCB相似：能夠合并功率電流和信號電流，減少熱量產(chǎn)生和改善散熱，提高強度，消除連接器，減少層數(shù)，減小整體系統(tǒng)體積。一些人聲稱，與厚銅板相比，嵌入式板更容易焊接，但應(yīng)根據(jù)具體情況進行評估。

應(yīng)當(dāng)考慮的另一種熱管理技術(shù)是可與標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計套件（例如Mentor Graphics的FloThermPCB?）集成的計算流體力學(xué)（CFD）軟件。隨著性能邊界的推力越來越大，舊的經(jīng)驗法則和餐巾紙熱量計算變得越來越不可靠。出色的CFD軟件包（特別是專門為PCB或電子冷卻應(yīng)用設(shè)計的CFD軟件包）可以勝任，可以消除大量的猜測，提高設(shè)計效率，避免潛在的高成本錯誤并縮短產(chǎn)品上市時間。

設(shè)計和開發(fā)

考慮到所有先前的權(quán)衡，至關(guān)重要的是，產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)必須由代表關(guān)鍵利益相關(guān)者的團隊來制定：客戶，銷售和市場營銷，當(dāng)然還有客戶服務(wù)，采購，制造和銷售方面知識淵博的成員工程部門。供應(yīng)商，例如PCB制造商，必須具有制造設(shè)計和技術(shù)專長，是團隊不可或缺的成員。制造，組裝，測試和服務(wù)注意事項必須內(nèi)置而不是增加。

質(zhì)量功能部署或TRIZ等技術(shù)可用于對競爭設(shè)計要求，材料和生產(chǎn)技術(shù)進行排名和協(xié)調(diào)。可以通過參數(shù)方式對首過成本效益進行分析，然后在實際成本可用時對其進行完善。為了最大程度地減少推出問題，可以使用諸如Mentor Graphics的“ Valor MSS PCB”解決方案套件之類的軟件來設(shè)計，模擬和完善制造和測試過程。目標(biāo)是頻繁的設(shè)計迭代-眾所周知的創(chuàng)意失敗-快速收斂到最終解決方案。

盡管產(chǎn)品要求越來越嚴格，但我們擁有應(yīng)對這些要求的工具，技術(shù)和方法。在當(dāng)今競爭異常激烈的市場中要生存，就需要我們采取相應(yīng)的適應(yīng)措施。