技術(shù)資訊 I 多層 PCB 的熱應(yīng)力分析

本文要點

多層 PCB 有很多優(yōu)點，但是，多層結(jié)構(gòu)也會給電路板帶來熱應(yīng)力問題。

熱應(yīng)力分析是一種溫度和應(yīng)力分析方法，用于確定多層 PCB 中的熱應(yīng)力點。

熱應(yīng)力分析結(jié)果有助于 PCB 設(shè)計人員構(gòu)建可靠、穩(wěn)健和經(jīng)過優(yōu)化的多層 PCB。

印刷電路板 (PCB) 存在于所有電子設(shè)備中，是確保設(shè)備正常運(yùn)行的核心元件。每塊 PCB 上都載有電子設(shè)備的一個重要子系統(tǒng)，用于增加設(shè)備的功能。因此，電子設(shè)備的功能越多，就需要越多的 PCB 來保證正常運(yùn)行。為了在設(shè)備中整合更多的 PCB，并滿足電壓要求，PCB 通常是分層的。雖然多層電路板有一些優(yōu)點，但多層結(jié)構(gòu)會對電路板造成熱應(yīng)力。為此必須對多層電路板進(jìn)行熱應(yīng)力分析，以確定受應(yīng)力影響的區(qū)域并防止熱變形。

我們先來了解一下多層 PCB，以便更好地了解對其進(jìn)行熱應(yīng)力分析的需求。

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什么是多層 PCB？

為了滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的空間和重量限制，必須采用多層 PCB。顧名思義，多層 PCB 由多層材料層壓在一起，最終形成一塊電路板。多層 PCB 在制造時利用了高壓和高溫條件，以便讓各層之間緊密粘合，避免電路板內(nèi)出現(xiàn)氣泡。

多層 PCB 的用途和優(yōu)點

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品尺寸變得更小，功能也更加復(fù)雜，多層 PCB 相對于單層 PCB 有許多明顯的優(yōu)勢，尤其是在以下應(yīng)用領(lǐng)域：

數(shù)據(jù)存儲、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動通信、信號傳輸、工業(yè)控制、太空裝備、核探測系統(tǒng)

在這些應(yīng)用中使用多層 PCB 的優(yōu)點包括：

在電路板面積相同的前提下，多層 PCB 比單層或雙面 PCB 處理的電路更多。多層 PCB 的組裝密度高，因此適用于復(fù)雜系統(tǒng)中的高容量和高速應(yīng)用。

多層 PCB 體積小、重量輕，因此非常適合空間和重量受限的設(shè)備。

多層 PCB 的可靠性很高。

多層 PCB 是柔性的，可用于需要彎曲的電路結(jié)構(gòu)中。

多層 PCB 可承受高溫和高壓，可用于對電路耐用特征要求較高的設(shè)備。

在多層 PCB 中很容易進(jìn)行受控阻抗布線。

多層 PCB 中的電源和接地層有助于實現(xiàn) EMI 屏蔽。

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多層 PCB 中的熱應(yīng)力

制作多層 PCB 時，半固化片和核心材料層堆疊在一起。導(dǎo)體被封裝在樹脂材料中，各層則用粘合劑粘合起來。多層 PCB 涉及的所有材料都有不同的熱膨脹和收縮率，即熱膨脹系數(shù) (CTE)。CTE 差異和溫度升高導(dǎo)致了多層 PCB 的溫度場和熱應(yīng)力場。高熱應(yīng)力會導(dǎo)致 PCB 變形，并造成電路運(yùn)行、可靠性和壽命出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

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對多層 PCB 進(jìn)行熱應(yīng)力分析的重要性

熱應(yīng)力分析是指在多層 PCB 上進(jìn)行溫度和應(yīng)力耦合現(xiàn)場分析，使用熱應(yīng)力分析法來分析高溫和低溫循環(huán)對電路器件和運(yùn)行的影響。然后根據(jù)熱應(yīng)力分析結(jié)果修改多層 PCB 的物理 layout，這有助于減少多層 PCB 的溫度場和熱應(yīng)力場。

熱應(yīng)力分析在很多方面都有幫助，包括：

根據(jù)多層 PCB 焊點上的溫度應(yīng)力和剪切力來擺放器件。

預(yù)測多層 PCB 中出現(xiàn)分層和微裂紋的幾率。

預(yù)測多層 PCB 是否會發(fā)生變形。

在設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化的多層 PCB 時，熱應(yīng)力分析結(jié)果非常有用，有助于有效減少多層 PCB 中的溫度極值和應(yīng)力極值，還有助于提高多層 PCB 的熱可靠性、物理板的穩(wěn)健性和使用壽命。