热循环PCB设计的热力學(xué)分(fēn)析

2020-04-28

在具有(yǒu)大量计算能(néng)力的产品中，热量始终是考虑因素，您需要消除热量以使组件保持在安全温度下。热管理(lǐ)的另一个方面是检查高温下的热膨胀，这会在PCB的关键结构上施加压力，尤其是在HDI制度下。例子包括小(xiǎo)间距BGA和高纵横比微通孔。

更多(duō)的電(diàn)路板被推入HDI制度，其他(tā)電(diàn)路板在运行过程中可(kě)能(néng)会经历较大的温度上升。仅仅达到高温并不总是一个问题，可(kě)能(néng)导致故障的更危险的问题是反复循环。如果您可(kě)以使用(yòng)功能(néng)强大的3D场求解器进行CFD热模拟，则可(kě)以确定電(diàn)路板上的哪些结构会达到无法接受的温度并承受热膨胀带来的压力

PCB的热机械分(fēn)析过程

由于热膨胀在将要反复进行热循环的任何PCB中都非常重要，因此您需要确定電(diàn)路板上的导體(tǐ)在循环期间将膨胀多(duō)少。当将板加热到高温时，基板和导體(tǐ)会膨胀，但是它们可(kě)以以不同的速率膨胀。FR4基板比铜承受更大的膨胀，这会给导體(tǐ)造成压力。板上的走線(xiàn)足够厚，因此较不容易出现故障。真正的可(kě)靠性危险在于脆性的焊点和通孔，尤其是微通孔和未打孔的镀通孔。

在FR4中，一旦板的温度升高到玻璃化转变温度之上，热膨胀系数（CTE）就会增加。如果您的電(diàn)路板要在高温下运行，并且希望保持在玻璃化转变温度以下，则始终极好使用(yòng)高Tg层压板。随着板上所有(yǒu)元件的扩展，应力会累积并导致微小(xiǎo)的裂纹在导體(tǐ)中传播。在高温和低温之间反复循环之后，这些裂纹可(kě)能(néng)会融合，从而导致断裂。更具延展性的材料（例如，添加了铟的焊料）在失效之前会经历更多(duō)的循环。加热与热膨胀之间的这种关系在热力學(xué)分(fēn)析中至关重要。

在重复的热循环过程中模拟微裂纹的积累不是一个简单的问题，而直接模拟它在随机系统中是一个复杂的随机游走问题。但是，如果您具有(yǒu)因热循环而引起的微孔可(kě)靠性和焊点可(kě)靠性的实验数据，则可(kě)以准确估计可(kě)能(néng)导致断裂的循环数。通常，当极端温度之间的差异较小(xiǎo)时，電(diàn)路板可(kě)以承受更多(duō)的循环。

電(diàn)子设备的热机械分(fēn)析过程按以下顺序进行：

稳态温度计算：计算单板运行时的稳态温度。这应该包括所有(yǒu)冷却风扇和组件的运行。

将温度上升转换為(wèi)體(tǐ)积膨胀：一旦计算了電(diàn)路板每个區(qū)域的温度，就可(kě)以使用(yòng)CTE值将其转换為(wèi)體(tǐ)积变化。

计算由于膨胀引起的各种结构的应变：板上不同结构承受的应变等于體(tǐ)积膨胀。对于在膨胀下受到机械应力的通孔，通孔会承受一些额外的机械应变。

然后，将您在系统中计算出的温度变化乘以CTE值，即可(kě)确定热应变。对于导體(tǐ)上的总应变，您需要考虑膨胀过程中应变的确切结构。

热力學(xué)分(fēn)析中的导體(tǐ)和通孔可(kě)靠性

在重复的热循环下，表面层或内层上的导體(tǐ)不易发生热故障。相反，通孔在特定位置容易断裂。通孔上热机械应力和断裂的根本原因是铜导體(tǐ)和基板材料的CTE值不匹配。 

铜的CTE值约為(wèi)16 ppm / K，而FR4的CTE值沿厚度方向约為(wèi)70 ppm / K。下图显示了膨胀的基板如何在通孔结构上施加应力。黄色箭头表示施加到通孔的位置和方向应力。

这是不同的通孔结构在热膨胀过程中容易失效的原因。请注意，通孔中的焊盘，焊盘和枪管可(kě)能(néng)会发生断裂，但是已知某些特定位置非常容易断裂

高和低長(cháng)宽比電(diàn)镀通孔

高纵横比的通孔最容易在通孔桶的中间附近破裂。发生这种情况的原因是，電(diàn)镀液通过毛细作用(yòng)力被吸入通孔，并且当長(cháng)径比大时，電(diàn)镀液会从中心附近的通孔针筒中耗尽。这意味着所形成的镀层在通孔镜筒中心附近更薄。较低深宽比的通孔可(kě)以更均匀地電(diàn)镀，这意味着通孔桶中心附近的電(diàn)镀厚度可(kě)与通孔末端附近的電(diàn)镀厚度相媲美。假设您的堆积是对称的，那么人们会期望断裂会稍微靠近顶部表层。

微孔

反复进行热循环或電(diàn)路板极端膨胀后，微孔的颈部和底部最容易断裂。颈部區(qū)域向内弯曲，应力可(kě)以集中在微孔过渡區(qū)域。在底部，叠层会拉动盲孔/埋孔之间的界面，再次产生破裂的风险。下面显示了一些显微镜图像，显示了两个微孔底部的微孔破裂。

在板上确定了易受影响的结构后，就可(kě)以确定哪些區(qū)域适合采用(yòng)更激进的热管理(lǐ)解决方案。一些简单的选择（例如使用(yòng)不同的基板或重新(xīn)布置组件）可(kě)使温度降低到足以使電(diàn)路板承受反复的热循环而不会发生故障。