胡松濤，付 娟，王振收，李 旺

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥230031）

0 引言

多層PCB作為最常用的器件集成平臺(tái)，成功地把電路基板、電路元件等有機(jī)鏈接在一起［1］。隨著電子產(chǎn)品的輕薄小型化、高性能化，IC器件高集成化、引發(fā)印制電路板的集成度提高，發(fā)熱量明顯加大，特別是高頻IC器件如A／D，D／A類的大量使用以及電路頻率點(diǎn)的上移，PCB的熱密度越來(lái)越大［2］。大量的熱耗如果不能及時(shí)散發(fā)出去，將極大地影響電子設(shè)備的可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在導(dǎo)致電子設(shè)備失效的因素中，溫度占55%（其余因素為灰塵占6%，濕度占19%，振動(dòng)占20%），隨溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)于有些電子器件，環(huán)境溫度每升高10℃，失效率甚至?xí)龃笠槐兑陨希?］。在航空航天產(chǎn)品中熱控設(shè)計(jì)不可忽視，對(duì)于這些特種環(huán)境中的各類電路如果熱設(shè)計(jì)方法不恰當(dāng)，很可能引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)工程的崩潰，所以對(duì)電子裝備研制中板基印制電路的熱設(shè)計(jì)必須給予重視［4］。

1 PCB板熱設(shè)計(jì)

引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。印制板中溫升的2種現(xiàn)象是，局部溫升或大面積溫升和短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升［5］。熱量傳遞有3種基本方式是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。輻射是利用通過(guò)空間的電磁波運(yùn)動(dòng)將熱量散發(fā)出去，其散熱量較小，通常作為輔助散熱手段。本文以某伺服控制板為例，介紹一種通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱沉瞬態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)設(shè)計(jì)，來(lái)解決PCB板長(zhǎng)時(shí)間高溫度工作時(shí)的散熱問(wèn)題。

本例中，伺服控制板上有2個(gè)功放芯片，其功率為2W，其他的芯片有2個(gè)R／D轉(zhuǎn)換芯片，2個(gè)CPU芯片，1個(gè)EPLD芯片，1個(gè)A／D轉(zhuǎn)換芯片，伺服控制板總功率約為9W。伺服控制板安裝在一個(gè)密閉的環(huán)境中，空氣對(duì)流效果有限，因空間限制，伺服控制板上無(wú)法安裝冷板散熱。為保證伺服控制板能夠正常工作，只能采用熱傳導(dǎo)和熱沉瞬態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)設(shè)計(jì)，將印制板上產(chǎn)生的熱量傳遞到殼體上。

常見(jiàn)的方式是采用金屬基（芯）PCB板進(jìn)行散熱。金屬基多層印制板是指將導(dǎo)熱性較好的金屬板嵌入多層印制板的中間，通過(guò)金屬板向外散熱或直接與外接散熱裝置相連起到快速散熱的效果，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金屬基（芯）PCB板

金屬芯板的芯材通常有鋁、銅和鋼等，本身也可作為地層使用，其上下層可通過(guò)金屬化孔（與芯板絕緣）互聯(lián)，并通過(guò)導(dǎo)熱孔實(shí)現(xiàn)熱量在金屬芯板內(nèi)層和表面的傳遞。發(fā)熱元件可通過(guò)底部和導(dǎo)熱孔直接焊接在板面上，發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱直接傳遞到金屬芯板，由金屬芯板經(jīng)導(dǎo)熱孔傳給接觸的安裝機(jī)箱而散發(fā)出去。這種結(jié)構(gòu)的PCB板在工程中應(yīng)用廣泛，但這種結(jié)構(gòu)的PCB板容易引起一些問(wèn)題，最明顯是由于金屬芯板比較厚，在散熱不均的情況下易引起金屬芯板形變從而導(dǎo)致PCB板上的芯片與管腳接觸不良；由于金屬芯板散熱快，給更換芯片帶來(lái)很大的困難，而在更換芯片的過(guò)程中，金屬芯板進(jìn)一步局部吸熱將會(huì)使得PCB板形變更加嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，面積越大的印制板越容易引起形變。

為了解決上述問(wèn)題，對(duì)金屬芯PCB板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體措施如下：

a.在印制板中間夾銅箔，4層0.15mm銅箔，印制板厚度增加到3mm，使得印制板不容易變形，過(guò)孔可靠性增加。

b.對(duì)于發(fā)熱量超過(guò)2W的芯片，采用芯片底部襯銅的方式將熱量直接導(dǎo)入印制板銅層。

c.功率放大芯片底部通過(guò)大面積鋪銅箔和導(dǎo)熱過(guò)孔將熱量傳導(dǎo)到內(nèi)部金屬銅箔層。

d.印制板邊緣金屬化，銑去芯板兩邊的絕緣層，通過(guò)邊緣裸露的金屬芯板與機(jī)座接觸散熱，使用36顆螺釘安裝，增加印制板與殼體的熱傳導(dǎo)。

通過(guò)上述措施，更改后的印制板設(shè)計(jì)如圖2所示，不但能夠有效改善PCB板變形問(wèn)題，還可以達(dá)到和金屬芯PCB板相同的散熱效果。

圖2 印制板設(shè)計(jì)

2 理論及仿真分析

采用電子設(shè)備熱分析軟件FLoTHERM對(duì)伺服控制板進(jìn)行仿真建模及分析。伺服控制板的邊界條件為：環(huán)境溫度65℃，工作90min。伺服控制板上元器件滿足X級(jí)降額要求，各器件允許的殼體溫度如表1所示。

表1 各器件允許的殼體溫度

2.1 伺服熱耗

伺服控制板主要功率器件為2個(gè)49.76mm×41.4mm的芯片，每個(gè)芯片熱耗2W，控制板其余電路部件熱耗共5W，整個(gè)控制板的熱耗為9W，伺服驅(qū)動(dòng)部件10W；電源40W；伺服及電源總熱耗59W。在熱分析模型中，不考慮對(duì)整體溫度場(chǎng)影響很小的元器件及結(jié)構(gòu)，實(shí)際結(jié)構(gòu)中使用的圓形模型在分析中簡(jiǎn)化為矩形模型，伺服控制模型和熱分析模型如圖3所示。

圖3 伺服控制模型和熱分析模型

2.2 熱容吸熱瞬態(tài)傳熱理論計(jì)算

電子設(shè)備依靠金屬結(jié)構(gòu)的熱容吸收熱量可使其在短時(shí)間內(nèi)不至于因?yàn)闊崃垦杆倬奂a(chǎn)生過(guò)高的溫度。由于尚未達(dá)到熱平衡狀態(tài)，故按照瞬態(tài)傳熱理論進(jìn)行分析。

根據(jù)集總參數(shù)法，非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源，可忽略物體內(nèi)部熱阻的導(dǎo)熱微分方程為：

∑Q為總熱源，當(dāng)考慮對(duì)流和輻射換熱時(shí)，這里應(yīng)視作器件的發(fā)熱量P和對(duì)流換熱Q1及輻射換熱Q2之和。

t為溫度；c為比熱容；ρ為密度；65℃時(shí)的密度ρ＝1.045kg／m3；τ為時(shí)間；Q為熱源。

式（1）左邊項(xiàng)表示瞬態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生材料儲(chǔ)存熱能的變化，在穩(wěn)態(tài)條件下則為零。

初始邊界條件：t0＝65℃；根據(jù)“非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱”模塊化計(jì)算：伺服控制板2W（87℃）芯片殼體溫度為76.8℃，0.6W（87℃）芯片殼體溫度為82.2℃，0.5W（87℃）芯片殼體溫度為78.7 ℃，0.5W（85℃）芯片殼體溫度為79.5℃。

2.3 65℃連續(xù)工作90 min的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

圖4 伺服控制芯片溫度

伺服控制芯片溫度如圖4所示，在65℃下連續(xù)工作90min的熱分析結(jié)果為：在連續(xù)工作30min的過(guò)程中，芯片溫度迅速升高，均達(dá)到72℃以上；在連續(xù)工作50min左右，芯片溫度趨于穩(wěn)定；在連續(xù)工作90min后2W（87℃）芯片殼體溫度為77.9℃，0.6W（87℃）芯片殼體溫度為84.0℃，0.5W（87℃）芯片殼體溫度為78.2 ℃，0.5W（85 ℃）芯片殼體溫度為77.0℃。

通過(guò)計(jì)算和仿真熱設(shè)計(jì)工況，伺服控制的芯片均在其允許的溫度范圍內(nèi)。在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，都按照芯片與印制板之間無(wú)間隙處理，而在實(shí)際安裝過(guò)程中，芯片與印制板之間會(huì)存在間隙，可使用南大703硅膠進(jìn)行縫隙填充，以保證印制板的散熱效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱分析、熱設(shè)計(jì)是提高電子產(chǎn)品可靠性必不可少的方法，這些方法應(yīng)該隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)?；诋?dāng)前電子器件高度集成化、高熱流密度的特點(diǎn)，從實(shí)際設(shè)計(jì)難點(diǎn)出發(fā)，提出了一種多層PCB的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)理論計(jì)算及仿真分析，結(jié)果表明，采用所提的熱設(shè)計(jì)方式能有效地降低PCB上的各元器件溫度，使得在工作環(huán)境中各元器件的X級(jí)降額滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 龔維蒸，張?jiān)s，戎磊.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1994.

［2］ 管美章.印制電路板的熱設(shè)計(jì)及其實(shí)施［J］.印制電路信息，2008（4）：27-30.

［3］ 李琴，劉海東，朱敏波.熱仿真在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子工藝技術(shù)，2006，27（3）：165-167.

［4］ 黃書偉，盧申林，錢毓清.印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［5］ 杜麗華，蔡云枝.PCB的熱設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（8）：85-87.