高溫度環境下大功率PCB板的設計

胡松濤，付 娟，王振收，李 旺

（中國電子科技集團公司第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，成功地把電路基板、電路元件等有機鏈接在一起［1］。隨著電子產品的輕薄小型化、高性能化，IC器件高集成化、引發印制電路板的集成度提高，發熱量明顯加大，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的上移，PCB的熱密度越來越大［2］。大量的熱耗如果不能及時散發出去，將極大地影響電子設備的可靠性。據統計，在導致電子設備失效的因素中，溫度占55%（其余因素為灰塵占6%，濕度占19%，振動占20%），隨溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數增長，對于有些電子器件，環境溫度每升高10℃，失效率甚至會增大一倍以上［3］。在航空航天產品中熱控設計不可忽視，對于這些特種環境中的各類電路如果熱設計方法不恰當，很可能引發整個系統工程的崩潰，所以對電子裝備研制中板基印制電路的熱設計必須給予重視［4］。

1 PCB板熱設計

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，發熱強度隨功耗的大小變化。印制板中溫升的2種現象是，局部溫升或大面積溫升和短時溫升或長時間溫升［5］。熱量傳遞有3種基本方式是熱傳導、熱對流和熱輻射。輻射是利用通過空間的電磁波運動將熱量散發出去，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，介紹一種通過熱傳導和熱沉瞬態儲熱技術設計，來解決PCB板長時間高溫度工作時的散熱問題。

本例中，伺服控制板上有2個功放芯片，其功率為2W，其他的芯片有2個R／D轉換芯片，2個CPU芯片，1個EPLD芯片，1個A／D轉換芯片，伺服控制板總功率約為9W。伺服控制板安裝在一個密閉的環境中，空氣對流效果有限，因空間限制，伺服控制板上無法安裝冷板散熱。為保證伺服控制板能夠正常工作，只能采用熱傳導和熱沉瞬態儲熱技術設計，將印制板上產生的熱量傳遞到殼體上。

常見的方式是采用金屬基（芯）PCB板進行散熱。金屬基多層印制板是指將導熱性較好的金屬板嵌入多層印制板的中間，通過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，其典型結構如圖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，其上下層可通過金屬化孔（與芯板絕緣）互聯，并通過導熱孔實現熱量在金屬芯板內層和表面的傳遞。發熱元件可通過底部和導熱孔直接焊接在板面上，發熱器件產生的熱直接傳遞到金屬芯板，由金屬芯板經導熱孔傳給接觸的安裝機箱而散發出去。這種結構的PCB板在工程中應用廣泛，但這種結構的PCB板容易引起一些問題，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，給更換芯片帶來很大的困難，而在更換芯片的過程中，金屬芯板進一步局部吸熱將會使得PCB板形變更加嚴重，經過試驗驗證，面積越大的印制板越容易引起形變。

為了解決上述問題，對金屬芯PCB板進行改進設計，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，過孔可靠性增加。

b.對于發熱量超過2W的芯片，采用芯片底部襯銅的方式將熱量直接導入印制板銅層。

c.功率放大芯片底部通過大面積鋪銅箔和導熱過孔將熱量傳導到內部金屬銅箔層。

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

通過上述措施，更改后的印制板設計如圖2所示，不但能夠有效改善PCB板變形問題，還可以達到和金屬芯PCB板相同的散熱效果。

圖2 印制板設計

2 理論及仿真分析

采用電子設備熱分析軟件FLoTHERM對伺服控制板進行仿真建模及分析。伺服控制板的邊界條件為：環境溫度65℃，工作90min。伺服控制板上元器件滿足X級降額要求，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49.76mm×41.4mm的芯片，每個芯片熱耗2W，控制板其余電路部件熱耗共5W，整個控制板的熱耗為9W，伺服驅動部件10W；電源40W；伺服及電源總熱耗59W。在熱分析模型中，不考慮對整體溫度場影響很小的元器件及結構，實際結構中使用的圓形模型在分析中簡化為矩形模型，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 熱容吸熱瞬態傳熱理論計算

電子設備依靠金屬結構的熱容吸收熱量可使其在短時間內不至于因為熱量迅速聚集而產生過高的溫度。由于尚未達到熱平衡狀態，故按照瞬態傳熱理論進行分析。

根據集總參數法，非穩態、有內熱源，可忽略物體內部熱阻的導熱微分方程為：

∑Q為總熱源，當考慮對流和輻射換熱時，這里應視作器件的發熱量P和對流換熱Q1及輻射換熱Q2之和。

t為溫度；c為比熱容；ρ為密度；65℃時的密度ρ＝1.045kg／m3；τ為時間；Q為熱源。

式（1）左邊項表示瞬態效應產生材料儲存熱能的變化，在穩態條件下則為零。

初始邊界條件：t0＝65℃；根據“非穩態導熱”模塊化計算：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℃連續工作90 min的溫度場仿真結果

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℃下連續工作90min的熱分析結果為：在連續工作30min的過程中，芯片溫度迅速升高，均達到72℃以上；在連續工作50min左右，芯片溫度趨于穩定；在連續工作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℃。

通過計算和仿真熱設計工況，伺服控制的芯片均在其允許的溫度范圍內。在進行分析計算時，都按照芯片與印制板之間無間隙處理，而在實際安裝過程中，芯片與印制板之間會存在間隙，可使用南大703硅膠進行縫隙填充，以保證印制板的散熱效果。

3 結束語

熱分析、熱設計是提高電子產品可靠性必不可少的方法，這些方法應該隨著科學技術的發展特別是計算機仿真技術的發展不斷前進。基于當前電子器件高度集成化、高熱流密度的特點，從實際設計難點出發，提出了一種多層PCB的設計方法，通過理論計算及仿真分析，結果表明，采用所提的熱設計方式能有效地降低PCB上的各元器件溫度，使得在工作環境中各元器件的X級降額滿足設計要求。

［1］ 龔維蒸，張裕榮，戎磊.電子設備結構設計基礎［M］.南京：東南大學出版社，1994.

［2］ 管美章.印制電路板的熱設計及其實施［J］.印制電路信息，2008（4）：27-30.

［3］ 李琴，劉海東，朱敏波.熱仿真在電子設備結構設計中的應用［J］.電子工藝技術，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計［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［5］ 杜麗華，蔡云枝.PCB的熱設計［J］.現代電子技術，2002（8）：85-87.