热循环PCB设计的热力学分析

2020年4月27日

关键外卖:

了解热力学分析作为增强电子设计的过程
发现热力学是如何涉及到导体和通孔
了解增强通径和导体放置的新潜在用途

熔岩灯热力学分析

这种熔岩灯的工作原理是随着蜡的温度变化而热膨胀和收缩。

在具有大量计算能力的产品中，热量始终是一个需要考虑的问题，您需要消除热量以保持组件在一个安全的温度。热管理的另一个方面是检查高温下的热膨胀，这将对PCB中的关键结构施加压力，特别是在HDI状态下。例如，细间距bga和高纵横比微通孔。

更多的板被推入HDI体系，而其他的板在运行过程中可能会经历较大的温升。简单地达到高温并不总是一个问题，更危险的问题可能导致失败的是重复循环。如果您可以使用功能强大的3D场求解器进行热CFD模拟，您可以识别电路板中的哪些结构将达到不可接受的温度，并经历热膨胀带来的压力。

多氯联苯的热力学分析过程

由于热膨胀是如此重要的任何PCB将被反复热循环，您将需要确定有多少导体在您的板将膨胀在循环。当板被带到高温时，衬底和导体会膨胀，但它们的膨胀速率不同。FR4衬底比铜衬底膨胀更大，这对导体产生了应力。板上的痕迹不容易损坏，因为它们足够厚。真正的可靠性危险在于易碎的焊点和通孔，特别是微通孔和未背钻的镀通孔通孔。

在FR4中，热膨胀系数(CTE)一旦板的温度超过玻璃化转变温度．它总是最好使用高tg层压板，如果你的板将运行在一个很高的温度，因为你想保持在玻璃转变温度以下。当板子里的所有东西都膨胀时，应力就会积累起来，导致导体中产生微小的裂纹。在高温和低温之间反复循环后，这些裂缝会合并，从而导致断裂。更韧性的材料(例如，添加了铟的焊料)在失效前可以经历更多的循环。加热和热膨胀之间的这种关系是热力学分析的中心。

模拟重复热循环过程中的微裂纹积累不是一个简单的问题，直接模拟微裂纹积累是一个随机系统中的复杂随机游走问题。然而，如果你有微通径可靠性和焊点可靠性的实验数据，由于热循环，你可以准确估计你可能导致断裂的循环次数。一般情况下，当极端温度之间的差异较小时，板可以承受更多的循环。

电子产品的热力学分析过程按以下顺序进行:

稳态温度计算:计算单板工作时的稳态温度。这应该包括所有冷却风扇和部件的运行。
把温升转化为体积膨胀:计算出单板各区域的温度后，可通过CTE值将其转换为体积变化量。
计算各种结构因膨胀而产生的应变:板内不同结构所经受的应变等于体积膨胀。对于在膨胀过程中受到机械应力的通孔，通孔会经历一些额外的机械应变。

计算稳态温度分布的最佳工具是使用热CFD模拟器，建立一个FEA/FDTD网格直接从您的设计数据．然后在系统中计算出的温度变化乘以CTE值，CTE值决定了热应变。对于导体的总应变，需要考虑在膨胀过程中被应变的确切结构。

热力学分析中导体和通径的可靠性

在反复的热循环作用下，表层或内层的导体不易发生热破坏。相反，通孔在特定位置容易破裂。铜导体的CTE值与基体材料的不匹配是通孔和断裂产生热机械应力的根本原因。

铜的CTE值为~16 ppm/K，而FR4的CTE值为~70 ppm/K。下图显示了膨胀的基底如何施加应力于通孔结构上。黄色箭头显示应力施加到通孔的位置和方向。

热力学分析中通孔热应力的比较。黄色箭头表示由于衬底膨胀而产生的应力的位置和方向。

这是不同的管道结构在热膨胀过程中容易损坏的原因。需要注意的是，通道内的地面、垫块和桶可能会发生裂缝，但也有一些特定的位置非常容易发生裂缝。

高和低展弦比镀通孔通孔

高展弦比的通孔通管最容易在通管中部附近发生断裂。这是因为镀液通过毛细力被拉入通孔，当纵横比较大时，镀液会从通管中心附近耗尽。这意味着在通管中心附近产生的镀层更薄。低展弦比通孔通孔可以更均匀地镀覆，这意味着通孔筒中心附近的镀厚与通孔末端附近的镀层厚度相当。假设你的堆叠是对称的，那么人们会预期骨折发生在稍微靠近顶部表层的地方。