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高温PCB-一种适用于耐高温电路板

来源:CLTPHP     时间:2020/03/28

       众所周知,设计人员正在从印刷电路板中挤出更多性能。功率密度正在上升,随之而来的高温可能对导体和电介质造成严重破坏。升高的温度-无论是由于I2R损耗还是环境因素引起的-都会影响热阻和电气阻抗,从而导致系统性能不稳定,即使不是完全故障。导体和电介质之间的热膨胀率差异(衡量材料受热时膨胀和冷却时收缩的趋势的量度)会产生机械应力,从而导致开裂和连接失败,尤其是在电路板受到周期性加热和冷却的情况下。如果温度足够高,则电介质可能会完全失去其结构完整性,从而使第一个多米诺骨牌陷入困境。


       发热一直是影响PCB性能的一个因素,设计人员习惯于将散热器包括在PCB中,但是当今高功率密度设计的要求经常使传统PCB的热量管理做法不堪重负

减轻高温的影响不仅对高温PCB的性能和可靠性,而且对以下因素也具有深远的影响:

 

  • 组件(或系统)重量

  • 申请规模

  • 成本

  • 电源要求

高温电路板通常被定义为一个与Tg(玻璃化转变温度)高于170℃。

对于连续热负载,在低于Tg 25°C的工作温度下,高温PCB应该遵循简单的经验法则。

因此,如果您的产品在130°C或更高的温度范围内,则建议使用高Tg的材料。

最常见的高Tg材料包括:

-ISOLA IS410

-ISOLA IS420

-ISOLA G200

-胜艺S1000-2

-ITEQ IT-180A

-雅隆85N

       在本文中,我们将讨论高温PCB制造和PCBA中使用的一些设计方法和技术,以帮助设计人员应对高温应用。


PCB散热技术与设计注意事项

       热量通过一种或多种机制(辐射,对流,传导)消散,设计团队在决定如何管理系统和元器件温度时必须牢记这三个因素。

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重铜PCB
 

辐射

       辐射是电磁波形式的能量发射。我们倾向于认为它仅是发光的事物,但事实是,温度高于绝对零的任何物体都会辐射热能。虽然通常散发的热量对电路板性能的影响最小,但有时可能是稻草折断了骆驼的后背。为了有效地去除热量,电磁波应远离源具有相对清晰的路径。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抛物面镜效应,它们会集中许多光源的辐射能量,并将其聚焦在系统的一个不幸部分上,从而造成真正的麻烦。

对流

       对流是将热量传递到流体(空气,水等)上。对流是“自然”的:流体从热源吸收热量,密度降低,从热源升至散热器,冷却,密度增大,再回到热源,然后重复该过程。(回想一下小学的“雨周期”)其他对流是由风扇或水泵“强迫”的。影响对流的关键因素是源与冷却剂之间的温度差,源传递热量的难易程度,冷却剂吸收热量的难易程度,冷却剂的流量以及传热的表面积。液体比气体更容易吸收热量。

传导性

       传导是通过热源和散热器之间的直接接触进行的热传递。从许多方面讲,它类似于电流:源和宿之间的温度差类似于电压,单位时间内传递的热量类似于安培数,热量流经导热体的难易程度类似于电流。电导。实际上,构成良好电导体的因素也往往也构成良好的热导体,因为它们都代表分子或原子运动的形式。例如,铜和铝是热和电的极好导体。较大的导体横截面可提高热量和电子的传导性。就像电路一样,长而曲折的流动路径会严重降低导体的效率。

       通常,从电路板上去除热量的主要机制是将热量传导到合适的散热器,对流将热量传导到环境中。热量会直接从源中散发出一些热量,但通常是通过专门设计的通道(称为“热通道”或“热通道”)将大部分热量带走。PCB散热器相对较大,发射率很高的表面(通常是波纹状或带鳍状,以进一步增加表面积),与导电(例如铜或铝)背衬粘合,这是一个劳动强度大的过程。PCB散热器也可以连接到设备的机箱,以利用其表面积。通常使用风扇来提供冷却空气流,在极端情况下,冷却空气本身可在气液热交换器中冷却。

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       归根结底,设计人员可用的热量管理选项包括降低功率密度,将设备与热源分离或隔离,提供更强大的冷却机制(例如,更大的风扇,液体冷却系统等),增加尺寸。散热片的可及性,使用更大的导体或使用能够承受更高温度的特殊材料。所有这些都会对整个系统的成本,大小和重量产生影响,因此必须在最早的概念开发和设计阶段就予以考虑。

新的热管理技术

       PCB制造商充分意识到标准制造方法的局限性,并通过提供专门针对高温设计的新型PCB来努力应对当今的设计挑战。这些PCB均采用沉重的铜电路来提高其载流能力,同时降低I 2 R损耗,但是它们的实现方式可能会有很大差异。

       正如描述所暗示的那样,我们越来越看到“重铜”和“极铜”板,它们使用的铜层比标准PCB厚,重。如果到处都不需要重(或极端)铜,则可以将重铜电路和标准铜电路组合在一起,以允许在单个板上承载电源电流和信号电流。

       除了特殊的蚀刻和电镀技术外,重/极铜PCB的制造工艺与标准PCB相似。优点是更大的载流能力,更低的I 2 R损耗,更高的机械强度,具有并入高效车载散热片和车载平面变压器之类的功能以及减小产品尺寸(由于该能力)的能力。将重型和标准电路组合在一块板上)。相对成本较低,因为板载散热器不需要繁琐的手工制造标准的,粘合的散热器。

       另一种方法是嵌入沉重的矩形铜线以代替沉重/极端的铜镀层。与标准PCB相比,优势与重/极铜PCB相似:能够合并功率电流和信号电流,减少热量产生和改善散热,提高强度,消除连接器,减少层数,减小整体系统体积。一些人声称,与厚铜板相比,嵌入式铜板更容易焊接,但应根据具体情况进行评估。

       应当考虑的另一种热管理技术是可与标准PCB设计软件包(例如Mentor Graphics的FloThermPCB®)集成的计算流体力学(CFD)软件。随着性能边界的推力越来越大,旧的经验法则和餐巾纸热量计算变得越来越不可靠。出色的CFD套件(特别是专门为PCB或电子冷却应用设计的套件)可以胜任,可以消除大量的猜测,提高设计效率,避免潜在的代价高昂的错误,并缩短上市时间。

设计和开发

考虑到所有先前的权衡,至关重要的是,产品的设计和开发必须由代表关键利益相关者的团队来制定:客户,销售和市场营销,当然还有客户服务,采购,制造和销售方面知识渊博的成员工程部门。供应商,例如PCBA加工制造商,必须具有制造设计和技术专长,是团队不可分割的一部分;制造,组装,测试和服务注意事项必须内置,而不是增加。 

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