眾所周知,設(shè)計(jì)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(lái)的高溫可能對(duì)導(dǎo)體和電介質(zhì)造成嚴(yán)重破壞。升高的溫度-無(wú)論是由于I2R損耗還是環(huán)境因素引起的-都會(huì)影響熱阻和電氣阻抗,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(shí)膨脹和冷卻時(shí)收縮的趨勢(shì)的量度)會(huì)產(chǎn)生機(jī)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(huì)完全失去其結(jié)構(gòu)完整性,從而使第一個(gè)多米諾骨牌陷入困境。
發(fā)熱一直是影響PCB性能的一個(gè)因素,設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于將散熱器包括在PCB中,但是當(dāng)今高功率密度設(shè)計(jì)的要求經(jīng)常使傳統(tǒng)PCB的熱量管理做法不堪重負(fù)。
減輕高溫的影響不僅對(duì)高溫PCB的性能和可靠性,而且對(duì)以下因素也具有深遠(yuǎn)的影響:
組件(或系統(tǒng))重量
申請(qǐng)規(guī)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(zhuǎn)變溫度)高于170℃。
對(duì)于連續(xù)熱負(fù)載,在低于Tg 25°C的工作溫度下,高溫PCB應(yīng)該遵循簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)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:
-ISOLA IS410
-ISOLA IS420
-ISOLA G200
-勝藝S1000-2
-ITEQ IT-180A
-雅隆85N
在本文中,我們將討論高溫PCB制造和PCBA中使用的一些設(shè)計(jì)方法和技術(shù),以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高溫應(yīng)用。
熱量通過(guò)一種或多種機(jī)制(輻射,對(duì)流,傳導(dǎo))消散,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在決定如何管理系統(tǒng)和元器件溫度時(shí)必須牢記這三個(gè)因素。
重銅PCB
輻射是電磁波形式的能量發(fā)射。我們傾向于認(rèn)為它僅是發(fā)光的事物,但事實(shí)是,溫度高于絕對(duì)零的任何物體都會(huì)輻射熱能。雖然通常散發(fā)的熱量對(duì)電路板性能的影響最小,但有時(shí)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(yuǎn)離源具有相對(duì)清晰的路徑。反射表面使光子的外流受挫,使大量光子在其源上重新聚集。如果不幸的是反射面共同形成了拋物面鏡效應(yīng),它們會(huì)集中許多光源的輻射能量,并將其聚焦在系統(tǒng)的一個(gè)不幸部分上,從而造成真正的麻煩。
對(duì)流是將熱量傳遞到流體(空氣,水等)上。對(duì)流是“自然”的:流體從熱源吸收熱量,密度降低,從熱源升至散熱器,冷卻,密度增大,再回到熱源,然后重復(fù)該過(guò)程。(回想一下小學(xué)的“雨周期”)其他對(duì)流是由風(fēng)扇或水泵“強(qiáng)迫”的。影響對(duì)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)是通過(guò)熱源和散熱器之間的直接接觸進(jìn)行的熱傳遞。從許多方面講,它類似于電流:源和宿之間的溫度差類似于電壓,單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量類似于安培數(shù),熱量流經(jīng)導(dǎo)熱體的難易程度類似于電流。電導(dǎo)。實(shí)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?yàn)樗鼈兌即矸肿踊蛟舆\(yùn)動(dòng)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(zhǎng)而曲折的流動(dòng)路徑會(huì)嚴(yán)重降低導(dǎo)體的效率。
通常,從電路板上去除熱量的主要機(jī)制是將熱量傳導(dǎo)到合適的散熱器,對(duì)流將熱量傳導(dǎo)到環(huán)境中。熱量會(huì)直接從源中散發(fā)出一些熱量,但通常是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的通道(稱為“熱通道”或“熱通道”)將大部分熱量帶走。PCB散熱器相對(duì)較大,發(fā)射率很高的表面(通常是波紋狀或帶鰭狀,以進(jìn)一步增加表面積),與導(dǎo)電(例如銅或鋁)背襯粘合,這是一個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的過(guò)程。PCB散熱器也可以連接到設(shè)備的機(jī)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,冷卻空氣本身可在氣液熱交換器中冷卻。
歸根結(jié)底,設(shè)計(jì)人員可用的熱量管理選項(xiàng)包括降低功率密度,將設(shè)備與熱源分離或隔離,提供更強(qiáng)大的冷卻機(jī)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(huì)對(duì)整個(gè)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(jì)階段就予以考慮。
PCB制造商充分意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)制造方法的局限性,并通過(guò)提供專門針對(duì)高溫設(shè)計(jì)的新型PCB來(lái)努力應(yīng)對(duì)當(dāng)今的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些PCB均采用沉重的銅電路來(lái)提高其載流能力,同時(shí)降低I 2 R損耗,但是它們的實(shí)現(xiàn)方式可能會(huì)有很大差異。
正如描述所暗示的那樣,我們?cè)絹?lái)越看到“重銅”和“極銅”板,它們使用的銅層比標(biāo)準(zhǔn)PCB厚,重。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(gè)板上承載電源電流和信號(hào)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(diǎn)是更大的載流能力,更低的I 2 R損耗,更高的機(jī)械強(qiáng)度,具有并入高效車載散熱片和車載平面變壓器之類的功能以及減小產(chǎn)品尺寸(由于該能力)的能力。將重型和標(biāo)準(zhǔn)電路組合在一塊板上)。相對(duì)成本較低,因?yàn)榘遢d散熱器不需要繁瑣的手工制造標(biāo)準(zhǔn)的,粘合的散熱器。
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(shì)與重/極銅PCB相似:能夠合并功率電流和信號(hào)電流,減少熱量產(chǎn)生和改善散熱,提高強(qiáng)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,嵌入式銅板更容易焊接,但應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)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(jì)軟件包(例如Mentor Graphics的FloThermPCB?)集成的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件。隨著性能邊界的推力越來(lái)越大,舊的經(jīng)驗(yàn)法則和餐巾紙熱量計(jì)算變得越來(lái)越不可靠。出色的CFD套件(特別是專門為PCB或電子冷卻應(yīng)用設(shè)計(jì)的套件)可以勝任,可以消除大量的猜測(cè),提高設(shè)計(jì)效率,避免潛在的代價(jià)高昂的錯(cuò)誤,并縮短上市時(shí)間。
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(jì)和開發(fā)必須由代表關(guān)鍵利益相關(guān)者的團(tuán)隊(duì)來(lái)制定:客戶,銷售和市場(chǎng)營(yíng)銷,當(dāng)然還有客戶服務(wù),采購(gòu),制造和銷售方面知識(shí)淵博的成員工程部門。供應(yīng)商,例如PCBA加工制造商,必須具有制造設(shè)計(jì)和技術(shù)專長(zhǎng),是團(tuán)隊(duì)不可分割的一部分;制造,組裝,測(cè)試和服務(wù)注意事項(xiàng)必須內(nèi)置,而不是增加。