印制電路板的熱可靠性設計
生建友(總參第六十三研究所，江蘇南京210016)
摘要：可靠的熱分析、熱設計是提高印翩電路板熱可靠性的重要措施。在分析熱設計基本知識的基礎上，討論了散熱方式的選擇問題和具體的熱設詩 熱分析技術措施。
關鍵詞：PCB,熱分析,熱設計
中圈分類號：TN 41 文獻標識碼：A
Thermal Reliability Design for PCB
SHENG Jianyou(NO．63 Research Institute of PI A General Staf，Nanjing 210016．China)
Abstract： The reliable thermal analysis＆design is an important|lleaslre to improving the PCB’s reliability Based on the basic knowledge of thermal design，the question of selecting the cooling plan and the specific technical 0fleasure of thermal analysis＆design are discussed in this article
Keywords： PCB；thermal analysis；thermal design
1前言
印制電路板是各類電子、電信設備用得最多也是最基本的組裝單元，它一般由印制版、兀器件、插座和導軌組成 隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和表面貼裝技術的出現，印制電路板和電子、電訊設備向小型化 輕量化、多功能、高性能、高速度(信息處理速度)、高可靠性方向發(fā)展，以滿足軍用、民用電子、電信設備的需要。由于電路模塊集成度的不斷增加和大量應用，印制電路板的組裝密度也不斷增加，使得印制電路板上的熱流密度很大，例如有的芯片熱流密度高達100 w／ m 因此對印制電路板的熱分析、熱設計顯得尤為迫切，而對于如此高的熱流密度．傳統的熱設計方法已不能滿足它的需要，急需研究新的熱設計技術。
熱是影響設備工作可靠性的重要因素，熱設汁的根本任務就是控制好印制電路板的溫升．使其不超過可靠性規(guī)定的限值，確保設備的熱可靠性并安全工作。
2 熱設計理論
熱設計的理論基礎是傳熱學和流體力學 熱量總是從溫度高的部分向溫度低的部分流動，熱量的流動大致有3種不同的形態(tài)：傳導、對流、輻射。
這3種傳熱形式中，對熱設汁有重要意義的是它們在傳熱過程中的熱阻，其計算公式可參閱文獻[1]，熱設計的目的就是要減小傳熱路徑上的熱阻，使熱量迅速傳到熱地(散熱器、機箱等)。由電子元器件的結片至熱地之間的總熱阻可劃分為器件級、組裝級和系統級：器件級熱阻又稱為內阻；組裝級熱阻又稱為外阻：系統級熱阻又稱為最終熱阻 內外熱阻與器件結溫的關系為：
印制電路板熱設計總的要求就是使熱源至耗熱空間(如散熱器等)熱通道的熱阻降至最小或者是將印制電路板的熱流密度限制在可靠性規(guī)定的范圍內。為保證可靠性指標的實現，必須要采取有效的熱設計措施。熱設計措施主要包括：
a)散熱。利用空氣或液體作為冷卻劑，靠自然對流或強制對流的方式，帶走印制電路板的耗熱。
bl制冷 利用制冷技術，如溫差電器件、某些液體的蒸發(fā)吸熱等，使印制電路板的工作環(huán)境溫度低于周圍環(huán)境的溫度。
c1恒溫。利用變相材料的吸、放熱過程，可變導熱管的控溫特性，溫差電效應等，使印制電路板的工作溫度嚴格恒定在某一溫度范圍．以保證器件工作的穩(wěn)定性。
d)管傳熱。利用熱管高效傳熱的特性，解決大溫差條件下溫度的均衡，密封機箱內熱量導出．
以減少溫差或溫升對設備的危害。
設計中，可根據印制電路板的實際工作環(huán)境，
選擇一種或幾種熱設計措施．以保證引制電路板的溫度分布均勻且溫升不超過可靠性規(guī)定的限值
3 熱設計技術
對于寒冷環(huán)境下工作的設備，其印制電路板的的熱設計可通過上述恒溫、熱管傳熱或熱電致熱等技術來保證其正常工作．這些技術已相對成熟．本文不做詳細討淪。而對于酷熱環(huán)境下1‘作的設備．
其印制電路板的熱設計就顯得比較困難．其設計技術也比較復雜．有些問題還有待于進一步研究．本文主要討論這一問題。
熱設計之前占先要確定散熱方 C．散熱方 C的選擇取決于很多因素，如印制電路極(或元什 的
總發(fā)熱量、印制電路板(或元件)的允許溫 、設備(印制電路板)的丁作環(huán)境、印制板上元器件組裝方式致布局等多種因素，具體的選擇程序及方法參見有關文獻。目前，國內外應用最為廣泛的是傳導冷卻以及自然對流和輻射冷卻技術，即自然冷卻技術。自然冷卻技術具有可靠性高．結構、工藝簡單，成本低等特點，其導熱熱阻完全可以通過選材與合理的結構設計、完善的工藝措施、最佳的布局和Ij妙的安裝等達到預期的效果，而且可以進行控制
確定散熱方式后，應仔細研究印制電路板的設計方案，采取相應的技術措施對其進行熱設計。由傳熱學理論可知，無論何種熱設計技術，首先都應考慮導熱熱阻問題，減小導熱熱阻的技術措施主要有以下幾點：選用導熱系數高的材料作為導熱體、縮短導熱路徑、增加導熱面積、增加物體間的接觸壓力、夾敷導熱膏或軟金屬、提高接觸界面的加工精度等。本文蔣從以下幾個方面對印制電路板的熱設計技術進行詳細討論：印制板的熱設計；印制板上元器件的熱安裝技術；印制板上元器件的布局，導軌的熱設計
3 l 印制板的熱設計
通常，印制板用的絕緣材料其導熱系數都是比較小的，不能期望靠其本身的熱傳導來散熱～導電材料通常用銅箔，其厚度、寬度要根據電流大小、允許溫升范圍及散熱要求來確定， 目前所用的有單層板、雙面板和多層板3種，隨著設備的多功能、小型化，多層板用得越來越多 圖1是多層板的內導體的導體寬度、溫升與電流之間的關系曲線圖為了提高印制板自身的散熱能力，應適當增加銅箔的厚度，尤其是多層板的內導體 此外，還應適當加寬印制板地線的寬度，對于地線．太平面接地不僅可以有效地提高電路的抗干擾能力，而且還具有很好的散熱效果，因為這些大面積的銅箔如同金屬散熱片一樣，能迅速向外界散發(fā)印制電路板中的熱量。另外，為提高印制電路板的抗干擾性能而采取的匯流排措施，實際上也相當于給印制板安裝了一個性能良好的散熱器，增加r印制電路板的散熱能力。圖2為匯流排的結構圖，其中(a)、(b)分別為匯流排的正面和截面結構圖，它是用兩片薄層狀的銅導體粘接在一起，中間用絕緣薄膜隔開，一片導體作地線，另一片導體作為供電電源線，兩層導體均有一系列引出腳，可以直接焊在印制板上為了進一步增強印制板的導熱能 ，最好采用散熱印制板，散熱印制板有導熱條式 導熱板式(又稱冷板式)和金屬夾芯印制板， 見圖3一其中，導熱條(板)可以是實心的也可以是空心的，空心的效果更好，這樣可以大大減小其導熱熱阻，達到迅速傳熱的目的。采用導熱條式、板式印制板，設備可以做成密封式結構，容易達到“三防”的要求，特別適用于軍用環(huán)境。隨著材料科學和加工工藝的不斷發(fā)展與完善，金屬夾芯式印制板得到了廣泛應用，如在美國、日本等國家，交換機之類的電子設備上已大量使用，在相同的外界環(huán)境條件下，這種印制板的散熱效果與其它的印制板相比要提高一個數量級，可以說它代表了當今世界上高功耗電子組裝的較高水平
3．2 元器件的熱安裝技術
由于印制電路板的組裝密度較高，為了達到良好的傳熱效果，除了采用散熱印制板外，還應特別注意印制板上元器件的熱安裝技術。雙列直插式元件、大規(guī)模／超大規(guī)模集成電路以及微處理器等有一半以上的熱量是通過本身的引線傳遞給印制板的，其引線安裝孔應采用金屬化鍍覆孔，以降低引線至印制板的熱阻；安裝時，將元器件直接跨騎或貼裝在導熱條上或導熱板上，這樣可以有效地降低元器件至印制板的熱阻 對于大功率器件，則要特別仔細，因為安裝界面條件的改變直接影響著接觸熱阻和器件的可靠性；通常將它們直接安裝在散熱器上，利用自然對流、輻射換熱及熱傳導直接和周圍介質進行熱交換，從而保證其結溫低于允許的最高結溫；為了進一步減小界面熱阻，提高其熱可靠性，還要在界面上涂一層薄的導熱脂或采用導熱襯墊，如云母片、硅脂、導熱膏、導熱硅橡膠片或金屬填補劑等。
隨著材料科學的不斷發(fā)展、工藝技術的不斷進步，加上模塊化理論及設計方法的廣泛運用，一些新穎有效的冷卻模塊不斷出現，有效地保證了印制電路板運行的熱可靠性，如導熱模塊(TCM)、液冷模塊(LCM)、液冷基板(LCS)、液冷噴射模塊、沸騰換熱模塊、氣冷模塊等等
3．3 印制板上元器件的合理布局
印制板上的元器件如何布置對于散熱來說有很大作用，特別是對于垂直放置的印制板來說意義更大～元器件的安裝方位要符合冷卻劑的流動特性，有利于冷卻劑的流動(即阻力最小)，在一般自然空氣冷卻的情況下，將器件以縱長方向布置為好；而在強制空氣冷卻的方式中(如用風扇冷卻)，則將器件以橫長方式布置為好 有資料介紹，國外有世公司為了增加強制空氣玲卻的效果，沿著冷卻氣流的方向在印制板上增加了所謂的紊流排，具體結構參見文獻[2】 這樣，當冷卻氣流流動時．由于紊流排的作用，在靠近器件的地方產生渦流，從而使對流換熱效率提高，因此增加了印制電路板的散熱效果一在同一塊印制電路板上的元器件應按其功耗大小及耐熱程度分區(qū)排列，把不耐熱的元件放在冷卻氣流的最上游(人口處)，耐熱性能好的元件放在冷卻氣流的最下游(出口處)。大、小規(guī)模集成電路混合安裝時，應把大規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的上游處，小規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的下游處，以使印制電路板上元器件的溫升趨于均勻對于大功率器件，在水平方向上，應辟量靠近印制板邊緣布置，以縮短傳熱路徑；在垂直方向上，應盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響：
另外，在布置元器件的位置時要注意均熱化問題，大量資料和實踐表明，采用均熱化設計可以顯著提高印制電路板的熱可靠性。由于氣流總是向阻力小的地方流動，所以元器件的排列要盡可能均勻，避免在某個區(qū)域留有較大的卒域．以使冷卻氣流均勻流動．從而提高散熱效果．．1可樣，當有幾塊印制板平行排列時，各板間的間距要盡量相同；甭則，氣流將直接從間距大的地方流過．影響其它印制板的冷卻效果。
3．4 印制電路板的導軌設計
插入式印制電路板需要有導向導軌，導軌一般都固定在機箱壁上 導軌除了起導向、固定印制電路板的作用外，還是把印制電路板的熱量傳到機箱壁的一個主要的傳熱環(huán)節(jié)。其導軌熱阻(義稱接觸熱阻)在印制電路板的傳熱路徑上占有很大比重。
導軌熱阻與表面粗糙度、平面度、兩接觸面間的壓力、兩接觸面的表面處理方法以致接觸材料的物理— — 機械性能等諸多因素有關．所以常采取下列技術、工藝措施：
a)提高兩接觸面表面粗糙度和平面度，精度越高．導軌熱阻越小．但是．精度越高其加工成本也會相應增加，通常表面粗糙度只要達到3 2 m就可以了。
導軌材料選用質地軟的、導熱系數高的磷青銅、鈹青銅、紫銅或鋁、鋁合金等金屬，它們在一定的壓力下能與配合材料緊密地貼在一起．從而獲得較小的熱阻。
c1為了撼小接觸熱阻．應設法增大導軌的夾持力，為此，要采用夾持力很大的楔型鎖緊導軌，其單位長度上的熱阻分別為G型導軌的1／6、B型導軌的1／4、U型導軌的l／3．而且它還具有很好的防振、抗沖擊能力，特別適用于惡劣的軍用環(huán)境。
d)為r進一步提高導軌的接觸壓力和接觸表面的耐磨性，將其表面進行硬質氧化處理。
4 熱分析
熱分析是熱設計的基礎，可靠的熱分析是評估熱設計好壞的重要手段 熱分析必須在進行印制板布線之前的初步設計階段就同步進行，而且要貫穿于整個設計的全過程，以便及時發(fā)現設計上的缺陷并及時修改，這樣可以縮短研制周期，提高設計質量 目前，國內在熱設計的定性設計方面已取得了很太成績，有的已達到或接近國際先進水平，但在定量設計方面(包括熱分析、熱評估等)與國際先進水平還有較大差距 隨著科學技術和計算機技術的飛速發(fā)展，熱分析已從最初的半經驗準則方程發(fā)展到如今的計算機輔助熱分析技術(CATA)．近幾年來，國外的熱分析技術發(fā)展很快，出現了太量的商品化分析軟件， 如NATA、CINDA、NATFIN、CATS、TANS、FIUENT等，國內有些科研院所也在開展這方面的工作，并開發(fā)出了功能較強的熱分析軟件 熱分析的數學基礎是有限元法、有限差分法和邊界元法，熱分析就是求解非線性方程，其內容為建立數學模型、編制和調試分析程序．最后得出可視化的溫度分布圖 具體的分析計算步驟為：
a)根據印制電路板的的邊界條件、初始條件、進氣口的空氣速率及周圍的溫度、出氣口的位置等參數建立空氣流的數學模型；
l1]根據上述模型硬印制電路板上元器件的具體布局，用有限元法或邊界元法和有限差分法建立相關的非線性方程，編制程序并調試，或者是利用現成的商品化分析軟件進行分析計算；
c)將計算結果形成文本文件，以便對結果進行分析，同時將計算結果轉化為圖形文件，生成可視化的三維溫度場分布圖。
5 結束語
印制電路板的熱可靠性設計是一項比較復雜的工作，需要解決的問題很多。隨著科學技術和計算機技術的不斷發(fā)展，材料科學研究的不斷深入，加工工藝的不斷完善，模塊化理論及技術的廣泛應用，有力地促進了熱分析和熱設計技術的發(fā)展，必將為科研人員提供更多、更強的分析、設計手段和技術 設計中，設計人員要善于利用新理論、新技術、新手段，積極吸取先進的設計經驗和完善的工藝方法，設計出高性能、高可靠性的印制電路板
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