印刷電路板制作中電子元件熱設(shè)計分析

任楓軒，李洋 (河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院鄭州450046)(天津城市建設(shè)學(xué)院天津300384)
摘要:本文從分析電子設(shè)備中電子元件的熱失效和可靠性與溫度變化的關(guān)系入手，提出了在印制電路板制作中電子元件的熱設(shè)計分析的目的、原則和要求，分析了印制電路板的電子元件的選材、布局和通道設(shè)計具體實施方案，為電子產(chǎn)品熱可靠性設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:印刷電路板,熱失效,熱可靠性,熱設(shè)計,布局

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展，隨著電子元器件的集成度提高，其發(fā)熱密度也越來越高，相應(yīng)地電子產(chǎn)品的過熱問題也就越來越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計過程中不注重?zé)岱植嫉脑O(shè)計，元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制，最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來一定的影響，造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在印刷電路板元件布置設(shè)計過程中，熱設(shè)計問題尤為重要。
造成電子元件失效的原因雖有很多，但受溫度影響造成電子設(shè)備失效的因素占有較大比重。在印刷電路板的制作中，熱設(shè)計的好壞直接關(guān)系到印刷電路板的可靠穩(wěn)定運行及其使用壽命。熱設(shè)計不良最終將使得成本上升而且還會降低可靠性，大多數(shù)的PcB設(shè)計中都可能存在這些問題，諸如航空航天、汽車及消費電子產(chǎn)品等。故準(zhǔn)確確定元件功耗，再進(jìn)行PcB板級的熱分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強的產(chǎn)品。在進(jìn)行PcB板熱分析時，應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗，以免降低PcB板的設(shè)計效果。

一、電子元件失效率與溫度的關(guān)系
電子元件的主要失效形式是熱失效，及隨著溫度的增加。
其失效率呈指數(shù)增長趨勢。在電子行業(yè)中，器件環(huán)境溫度每升高100℃時，往往其失效率增加一個數(shù)量級，這就是所謂的“100℃法則”。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，電子設(shè)備的失效率有55％是溫度超過規(guī)定的值引起的，因此，對電子設(shè)備而言，即使是降低10℃，也將使設(shè)備的失效率降低一個可觀的量值，這對于可靠性要求高的電子系統(tǒng)尤為重要。例如，PIIl500芯片，其集成的元器件數(shù)目達(dá)到了百萬之多，運行溫度顯著提高，雖然采用了散熱片、風(fēng)扇等措施來進(jìn)行冷卻降溫，但仍得不到所要求的效果，Intel公司不得不將其工作電壓從5V降低到3v，甚至更低，以減小其功耗，控制內(nèi)部溫度，保證其正常工作?？梢?，在設(shè)計電子設(shè)備的印刷電路板時，熱設(shè)計是十分重要的。表1顯示了電子元器件失效率隨溫度變化的數(shù)據(jù)。

二、電子元件可靠性受溫度影響的因素
電子元件可靠性是指在具體的使用條件下，能正常工作到使用壽命為止。所有電子元件都對溫度敏感，超出極限溫度時
它們的性能將變得很差，如果溫度大大超出工作溫度范圍，元件可能會損壞。電子元器件的工作溫度是通常是由生產(chǎn)制造商規(guī)定的，一般情況下規(guī)定為工業(yè)級一20～+85℃；民用級O～70℃；軍用級：一55～120℃。
電子設(shè)備是由大量的電子元件組成的，正是這些電子元器件的功耗造成了電子設(shè)備的內(nèi)部及其周圍環(huán)境溫度過高，導(dǎo)致電子設(shè)備失效率大大增加，降低了設(shè)備的可靠性和使用壽命。
電子器件所用的材料都具有一定的溫度極限，當(dāng)超過這個極限時，物理性就會發(fā)生變化，器件就不能發(fā)揮它預(yù)期的作用，還有可能發(fā)生故障，從電子元件故障率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可以看出電子器件的故障率與其工作溫度有密切關(guān)系，由圖l所示，可以明顯看出溫度對電子設(shè)備的可靠性起著重要的作用。

三、印刷電路板上電子元件熱設(shè)計分析
1、印刷電路板上電子元件熱設(shè)計的目的
進(jìn)行熱設(shè)計的目的就是利用熱的傳遞特性，在充分掌握各種設(shè)備失效參數(shù)的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計熱流通路，降低設(shè)備與散熱環(huán)境之間的熱阻，并提供一個溫度比較低的散熱器，以較少的冷卻代價把設(shè)備內(nèi)部有害的熱量盡可能釋放摔，使設(shè)備在其所處環(huán)境條件下，保持在可靠性要求規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，確保設(shè)備可靠、安全的工作。
在熱設(shè)計中，控制電子設(shè)備內(nèi)電子元器件的溫度，使其溫度在電子設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高安全溫度，并使其溫度變化達(dá)到最小。最高安全溫度的計算應(yīng)該以元件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，并應(yīng)與要求的設(shè)備可靠性和分配給每一個元器件的失效率相對應(yīng)。熱設(shè)計的宗旨是提供熱阻相當(dāng)?shù)偷臒崃魍?，以使元器件溫度在最高環(huán)境溫度時或在冷卻劑效率最低時不會超過元件熱應(yīng)力分析所確定的最大值。

2、電子熱設(shè)計的原則
熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性設(shè)計、維修性設(shè)計同時進(jìn)行，在不損壞電氣性能，并符合可靠性要求的條件下，提高設(shè)備的可維修性，使設(shè)備的壽命周期費用降到最低：同時根據(jù)功耗、環(huán)境溫度、允許工作溫度、經(jīng)濟(jì)性與安全性等因素，選擇最簡單、最有效的冷卻方案，并且方案應(yīng)該適用于工程型號電子設(shè)備的環(huán)境條件。
(1)在有輻射的環(huán)境下應(yīng)考慮輻射給設(shè)備帶來的過熱問題；
(2)在惡劣環(huán)境下工作的設(shè)備，還應(yīng)考慮怎樣有效地防止諸如燃料油微粒、灰塵等沉積物的措施，以免增大設(shè)備的有效熱阻，降低冷卻效果；
(3)在工作環(huán)境或狀態(tài)有變化的情況下，還應(yīng)該考慮這些因素對元件的溫度的影響，使溫度變化引起的熱波動減少到最低程度，以免影響設(shè)備的可靠性；
(4)熱設(shè)計還應(yīng)該保證電子設(shè)備在緊急情況下，具有最起碼的冷卻措施，關(guān)鍵元件，即使冷卻系統(tǒng)遭到破壞或不工作情況下，仍應(yīng)具有繼續(xù)工作的能力。
3、電子元件熱設(shè)計的基本要求
(1)熱設(shè)計應(yīng)滿足電子設(shè)備工作在低于最高允許的工作溫度和功耗條件下；
(2)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境要求；
(3)滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求并且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。
4、印刷電路板制作中電子元件熱設(shè)計實施方案
(1)合理選材
印刷電路板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125℃，此為常用的典型值，根據(jù)選用的板材可能不同。由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設(shè)計時應(yīng)考慮到這些因素，熱點溫度應(yīng)不超過125℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計。
(2)保證熱通道暢通
充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道，保證熱量順利導(dǎo)出PcB板。在設(shè)計中加入一些熱通孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。
(3)元器件的合理布局
一些經(jīng)驗上元器件布局時所遵循以下方案：
①避免PcB上的熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PcB表面溫度性能的均勻和一致； ②最高辯卿發(fā)熱最大的器件布置徽最佳位置附近；
③不要將發(fā)熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置；
④在設(shè)計功率電阻時盡可能選擇體積大一些的器件，且在調(diào)整印制板布局時使之有足夠的散熱空間；
⑤高熱耗散器件在與基板連接時應(yīng)盡能減少它們之間的熱阻：

⑥為了更好地滿足熱特性要求，在芯片底面可使用一些熱導(dǎo)材料(如涂抹一層導(dǎo)熱硅膠)，并保持一定的接觸區(qū)域供器件散熱；
⑦器件與基板的連接
口盡量縮短器件引線長度；
口選擇高功耗器件時，應(yīng)考慮引線材料的導(dǎo)熱性，如果可能的話，盡量選擇引線橫截面最大者；
口選擇管腳數(shù)較多的器件。
⑧器件的封裝選取
口在考慮熱設(shè)計時應(yīng)注意器件的封裝說明和它的熱傳導(dǎo)率；
口應(yīng)考慮在基板與器件封裝之間提供一個良好的熱傳導(dǎo)路徑；
口在熱傳導(dǎo)路徑上應(yīng)避免有空氣隔斷，如果有這種情況可采用導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充。
目前解決印刷電路板上電子元件過熱問題的熱分析和熱
設(shè)計，早己引起國內(nèi)外研究部門的高度重視，而且得到了迅速發(fā)展。本文針對印刷電路板板上電子元件的熱設(shè)計及其優(yōu)化布
局的問題進(jìn)行分析，并給出了在印刷電路板制作中隊電子元熱設(shè)計時所采取的具體方案，以解決制作印刷電路板中電子元件的過熱問題，這對于提高電子設(shè)備的熱可靠性具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)
1．連芬，電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊．電子工業(yè)出版社．1989；
2．丁曉東，簡談電子設(shè)備的熱設(shè)計．現(xiàn)代電子技術(shù)．2000第118期；
3．齊永強，何雅玲等，電子設(shè)備熱設(shè)計的初步研究．現(xiàn)代電子技術(shù)．2003第l期；
4．于慈遠(yuǎn)，計算機輔助電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計及熱測試技術(shù)的研究『博士后工作研究報告J．北京航空航天大學(xué)．2000．

熱設(shè)計論文下載：印刷電路板制作中電子元件熱設(shè)計分析.pdf

標(biāo)簽： 點擊： 評論: