高溫 PCB - 用于高溫應用的電路板

眾所周知，設計人員正在從印刷電路板中榨取更多的性能。功率密度正在上升，隨之而來(lái)的是可能對導體和電介質(zhì)造成嚴重破壞的高溫。升高的溫度 - 無(wú)論是來(lái)自 I2R 損耗還是環(huán)境因素 - 都會(huì )影響熱阻抗和電阻抗，從而導致不穩定的系統性能，如果不是徹底失敗的話(huà)。導體和電介質(zhì)之間的熱膨脹率差異（衡量材料加熱時(shí)膨脹和冷卻時(shí)收縮的趨勢）會(huì )產(chǎn)生機械應力，從而導致開(kāi)裂和連接故障，尤其是在電路板受到循環(huán)加熱和冷卻的情況下。如果溫度足夠高，電介質(zhì)可能會(huì )完全失去其結構完整性，在一連串的麻煩中撞倒第一張多米諾骨牌。

發(fā)熱一直是影響 PCB 性能的一個(gè)因素，設計人員習慣于在其 PCB 中加入散熱器，但當今高功率密度設計的需求經(jīng)常壓倒傳統的 PCB 熱管理實(shí)踐。

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

• 組件（或系統）重量

• 應用規模

• 成本

• 電源要求

甲高溫電路板通常被定義為一個(gè)與Tg（玻璃化轉變溫度）高于170℃。

對于工作溫度低于 Tg 約 25°C 的連續熱負載，高溫 PCB應遵循簡(jiǎn)單的經(jīng)驗法則。

這意味著(zhù)，如果您的產(chǎn)品在 130°C 或更高的范圍內，建議使用高 Tg 材料。

最常見(jiàn)的高 Tg 材料包括：

- ISOLA IS410

- ISOLA IS420

- ISOLA G200

- 盛益S1000-2

-ITEQ IT-180A

- ARLON 85N

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

熱量通過(guò)一種或多種機制消散 - 輻射、對流、傳導 - 設計團隊在決定如何管理系統和組件溫度時(shí)必須牢記這三者。

重銅 PCB

輻射是以電磁波的形式****能量。我們傾向于認為它只是發(fā)光的東西，但事實(shí)是任何溫度高于絕對零的物體都會(huì )輻射熱能。雖然通常輻射熱對電路板性能的影響最小，但有時(shí)它可能是壓垮駱駝的最后一根稻草。為了有效地去除熱量，電磁波應該有一條遠離源頭的相對清晰的路徑。反射表面阻礙了光子的外流，導致大量光子返回到它們的源頭。如果不幸的機會(huì )，反射面共同形成拋物面鏡效應，它們可以將許多來(lái)源的輻射能量集中起來(lái)，并將其集中在系統的一個(gè)不吉利的部分上，從而造成真正的麻煩。

對流是將熱量傳遞給流體——空氣、水等。有些對流是“自然的”：流體從熱源吸收熱量，密度變小，從熱源上升到散熱器，冷卻，變得更稠密，再回到熱源，然后重復這個(gè)過(guò)程。（回憶小學(xué)的“雨循環(huán)”）其他對流是由風(fēng)扇或泵“強制”進(jìn)行的。影響對流的關(guān)鍵因素是源和冷卻劑之間的溫差、源傳遞熱量的難易程度、冷卻劑吸收熱量的難易程度、冷卻劑的流速以及熱量傳遞的表面積。液體比氣體更容易吸收熱量。

傳導是通過(guò)熱源和散熱器之間的直接接觸來(lái)傳遞熱量。在許多方面它類(lèi)似于電流：源和匯之間的溫差類(lèi)似于電壓，每單位時(shí)間傳遞的熱量類(lèi)似于安培數，熱量流經(jīng)熱導體的難易程度類(lèi)似于電電導。事實(shí)上，構成良好電導體的因素往往也會(huì )產(chǎn)生良好的熱導體，因為兩者都代表分子或原子運動(dòng)的形式。例如，銅和鋁都是極好的熱導體和電導體。大導體橫截面提高了熱和電子的傳導性。與電路一樣，長(cháng)而曲折的流動(dòng)路徑會(huì )嚴重降低導體的效率。

通常，從電路板上去除熱量的主要機制是將熱量傳導到合適的散熱器，在那里對流將熱量傳遞到環(huán)境中。一些熱量直接從源頭散發(fā)和輻射，但通常大部分熱量通過(guò)稱(chēng)為“熱通孔”或“熱通孔”的專(zhuān)門(mén)設計的通道被吸走。PCB 散熱器相對較大、高輻射，表面（通常是波紋狀或翅片以進(jìn)一步增加表面積）與導電（例如，銅或鋁）背襯粘合，這是一個(gè)高度勞動(dòng)密集型的過(guò)程。PCB 散熱器也可以連接到設備的機箱以利用其表面積。通常使用風(fēng)扇來(lái)提供冷卻空氣流，在極端情況下，冷卻空氣本身可以在氣液換熱器中冷卻。

多層熱板

歸根結底，設計人員可用的熱管理選項是降低功率密度、將設備與熱源移除或隔離、提供更強大的冷卻機制（例如，更大的風(fēng)扇、液體冷卻系統等）、增加尺寸和散熱器的可及性，使用更大的導體，或使用能夠承受更高溫度的特殊材料。所有這些都會(huì )對整個(gè)系統的成本、尺寸和重量產(chǎn)生影響，必須在最早的概念開(kāi)發(fā)和設計階段加以考慮。

PCB 制造商非常清楚標準制造實(shí)踐的局限性，并通過(guò)提供專(zhuān)為高溫設計的新型 PCB 來(lái)努力跟上當今的設計挑戰。這些 PCB 均采用重銅電路來(lái)提高載流能力，同時(shí)降低 I 2 R 損耗，但實(shí)現方式可能會(huì )有很大差異。

我們越來(lái)越多地看到“重銅”和“極端銅”板，正如描述所暗示的那樣，它們使用比標準 PCB 更厚、更重的銅層。如果所有地方都不需要重（或極端）銅，則可以將重銅電路和標準銅電路結合起來(lái)，以允許在單個(gè)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，制造重型/極端銅 PCB 的工藝與標準 PCB 的工藝相似。優(yōu)點(diǎn)是更大的載流能力、更低的 I 2 R 損耗、更高的機械強度、能夠結合高效板載散熱器和板載平面變壓器等功能，以及減小產(chǎn)品尺寸（由于能夠將重電路和標準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動(dòng)制造標準的粘合散熱器。

一種不同的方法是嵌入重的矩形銅線(xiàn)來(lái)代替重的/極端的鍍銅。與標準 PCB 相比，其優(yōu)點(diǎn)類(lèi)似于重/極銅 PCB：能夠結合電源電流和信號電流、減少發(fā)熱和改善散熱、增加強度、消除連接器、減少層數、更小的整體系統體積。有些人聲稱(chēng)嵌入線(xiàn)的板比厚銅板更容易焊接，但這應該根據具體情況進(jìn)行評估。

另一項應考慮的熱管理技術(shù)是計算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 軟件，它可以與標準 PCB 設計包集成，例如 Mentor Graphics 的 FloTherm PCB?。隨著(zhù)性能界限變得越來(lái)越難，舊的經(jīng)驗法則和餐巾紙背后的熱量計算變得越來(lái)越不可靠。在有能力的人手中，一個(gè)好的 CFD 封裝——尤其是專(zhuān)門(mén)為 PCB 或電子冷卻應用設計的封裝——可以消除大量猜測，提高設計效率，避免潛在的代價(jià)高昂的錯誤，并縮短上市時(shí)間。

考慮到前面描述的所有權衡，產(chǎn)品的設計和開(kāi)發(fā)必須由代表關(guān)鍵利益相關(guān)者的團隊來(lái)塑造：當然，客戶(hù)、銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)，但也包括客戶(hù)服務(wù)、采購、制造和工程部門(mén)。具有為制造而設計和技術(shù)專(zhuān)長(cháng)的供應商，例如 PCB 制造商，必須是團隊不可或缺的成員；制造、組裝、測試和服務(wù)的考慮必須是內在的，而不是附加的。

質(zhì)量功能部署或 TRIZ 等技術(shù)可用于對相互競爭的設計要求、材料和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行排序和協(xié)調。首次通過(guò)成本效益分析可以參數化進(jìn)行，然后在實(shí)際成本可用時(shí)進(jìn)行細化。為了盡量減少推出問(wèn)題，可以使用 Mentor Graphics 的“Valor MSS PCB”解決方案套件等軟件來(lái)制定、模擬和改進(jìn)制造和測試過(guò)程。目標是頻繁的設計迭代——創(chuàng )造性的失敗，正如他們所知——迅速收斂到最終解決方案。

盡管產(chǎn)品要求越來(lái)越嚴格，但我們擁有應對它們的工具、技術(shù)和方法。在當今競爭激烈的市場(chǎng)中生存需要我們相應地采用和適應。