采用PCB自發熱改善電路板低溫特性

文/尹可 盧圣濤 任慧麟

1 概述

電子控制器是現代航空武器裝備的重要組件，控制器內部電子元器件存在一定的正常工作溫度范圍。相較于民用產品，軍用產品對于低溫環境條件有更嚴苛的要求，不同等級的電子元器件的最低工作溫度溫度見表1，長時間在超限低溫條件下電子元器件容易失效，導致控制器無法正常工作。

我國幅員遼闊，要求航空武器裝備能夠適應國土范圍內各種各樣的氣候條件，特別的對于高寒地區，最低溫度往往低于-40℃。對于現代航空武器裝備的大腦-電子控制器而言，低溫限制了元器件的選擇范圍，降低了元器件的可靠性，增高了元器件的使用成本。

目前電子元器件低溫工作的改善，采取的措施主要有：

（1）增加二次篩選，符合低溫使用需求的元器件挑選出來。

（2）選用符合對應溫度范圍的軍溫檔元器件。

（3）在機箱內部設置加熱管路或加熱器等加熱組件。

方法（1）、方法（2）從元器件入手，無需修改電子控制器的設計，當成本較高，二次篩選、采用軍溫檔器件成本顯著上升，對溫度范圍提升也存在有限。方法（3）目前應用也較為廣泛，通過加熱是電子控制器機箱內溫度上升，達到工業級器件工作溫度范圍，但加熱設備需增加機箱的重量與尺寸，帶來額外的成本。

表1：常用元器件等級對應的最低溫度

本文提出了一種在PCB內部構建加熱層的方法，通過增加少量器件方式實現主動加熱提高電子控制器的低溫特性。該方法對原有PCB電路的結構影響小，對PCB板直接加熱，快速提升PCB板上元器件的溫度。

2 基于PCB銅箔層構建加熱層

目前PCB普遍采用多層板，如圖1所示，按功能可分為導電層及基材，基材用于為元器件提供支撐保證元器件提供固定和支撐，一般采用FR4玻璃纖維材質；導電層一般采用高純度銅箔，單層銅箔厚度一般為35um，通過在銅箔層上刻蝕出導電線路，為PCB上各個元器件建立電氣連接。

圖1：典型PCB板結構

圖2

圖3：模擬機箱內熱平衡時PCB板溫度分布圖

利用PCB內部布線層，通過在該銅箔上刻蝕出導線，在導線兩端直接加載電流，利用導線的電熱效應可實現對PCB板的直接加熱。采用PCB銅箔層構建加熱層有如下優點：

（1）不影響PCB原有設計。加熱層在增加銅箔層中實現，不影響原來的PCB板布線和元器件布局。

（2）可根據需要對PCB板局部進行加熱。通過靈活在在PCB板上繪制加熱導線區域，如圖2a、圖2b所示。

（3）重量、成本基本不變。PCB板導電層很薄，重量主要源自基材FR4，通過在其中增加銅箔層數不會帶來重量的明顯增加。

當外部環境溫度過低時，電子控制器開始工作前，先接通PCB加熱層的開關，電子控制器機箱內部的PCB板和元器件進行加熱，待溫度達到控制器正常工作范圍后，電子控制器即可開始正常工作。

3 導電層導線長度計算

在銅箔中構建加熱層需要考慮以下因素：總的熱功率與導線的載流能力。熱功率決定了加熱的效率及穩態時的最高溫度；載流能力決定了對應線寬的PCB導線允許的最大電流值，PCB上的導線電流值過大時會導致導線本身短時溫升過高而發生熔斷。

熱功率計算，根據導導電率計算公式：

其中ρ為純銅的電導率，L為導線長度，S為導線截面積，當采用銅箔層構成導線時，一般標準銅箔厚度為h=35um，導線的截面積與線寬的關系為 S=wh，代入（1）可得：

根據焦耳定律，可知導線的功率與輸入電壓的關系為：

根據（3）可知，在材料已知條件下，熱功率與導線的長寬比成反比，與供電電壓的平方成正比，與銅箔的厚度h成正比。當電壓、功率確定后，導線的長寬比即確定，進行到熱層設計時應考慮選擇適當的線寬，使實際流過導線的電流小于允許的最大電流。

以普通的PCB板為100mm×100為例，線寬選用w=0.25mm，采用迂回方式進行單層布線，導線可達L=20m，代入公式計算有

此時可知R=40Ω，當U=28V時，P=19.6 W，對應的電流I=0.7A，電流值小于線寬允許的最大載流。

4 ANSYS Icepak仿真驗證

ANSYS Icepak是一款電子散熱優化專用分析軟件，對第3節中的PCB熱功率進行Icepak建模熱仿真分析，評估加熱的效果與溫升是速度，模擬機箱在-55℃外部恒溫條件PCB板及機箱內部的溫度場分布。

4.1 單層加熱

在Icepak中建立簡化的機箱及PCB板的簡化模型，機箱熱力學仿真，考慮標準重力條件、1個標準大氣壓下，對100×100mm，2mm厚PCB板進行建模，設置機箱尺寸為120×120×120mm的灰鑄鐵機箱，表面作氧化處理，設置環境溫度為-55℃，初始狀態時，內部充滿1個大氣壓力的空氣。PCB采用簡化模型，表面銅箔厚度為35um，覆銅覆蓋率設置為50%，頂層與底層作為布線層，中間層用作主動加熱層，單層加熱功率設置為19.6W，計算此時機箱內部熱平衡時PCB板表面的溫度分布情況。重力設置為Y坐標方向，PCB板位于XZ平面內。

圖3、圖4為Icepak仿真計算結果，當機箱內部達到熱平衡，內部溫度場穩定后，PCB平面的溫度分布為：中心溫度最高，溫度場呈中心對稱，中心溫度可達-19.7℃，PCB四角溫度最低，最低溫度為-22.1℃；考慮機箱內空氣對流條件，PCB板附近溫度分布呈現上部高，下部溫度低，熱空氣對流主要在機箱的上半部分，PCB板周圍空氣溫度大于-35℃，進入工業級器件的環境溫度范圍，能夠滿足工業級器件正常工作。

溫升速度同樣是實際應用一個重要指標，要求惡劣條件下能快速提升機箱內部溫度，使武器裝備迅速進入戰備狀態。相同邊界條件，分別計算PCB中心點與四角上的點的溫度隨時間的變化趨勢，仿真結果見圖5。

根據圖2可知，溫度曲線在初始階段快速上升，約5分鐘左右PCB板中心點溫度達到-40℃，約15分鐘溫度變化趨于平緩，整個系統基本進入熱平衡的狀態，PCB的溫度在-19℃基本不再發生變化。

4.2 雙層加熱

環境溫度更低條件下，為了更高的穩態溫度和更快的溫升，不改變PCB線寬及銅箔厚度條件下，在PCB中加熱層的數目可以進一步增大加熱功率。

計算雙層加熱條件下機箱的中心點與四個角點的溫度變化情況，此時總的加熱功率變為39.2W，仿真計算結果如圖6。

由圖6可知，穩態時PCB中心點溫度為-7.5℃，四角的點溫度為-9.7℃，分別較單層加熱提高了12.2℃、12.4℃，溫度到達穩態的時間基本保持不變，溫升速度提高了約30%。

綜上所述，在-55℃外部條件下，通過在PCB板內部構建加熱層可將PCB板整體溫度快速提升到工業級器件適用范圍內，通過靈活的配置加熱層的數目，可以進一步提高加熱的功率與溫升的速度。

將PCB加熱層結合溫控開關組件，在溫度達到設定值時自動斷開加熱層供電，可進一步構成一個自動化的溫控系統。

5 結論

通過在PCB內部銅箔上構建加熱層的方法實現對PCB板快速加溫的方法。通過理論分析與ANSYS Icepak仿真計算，對提出的方法進行了驗證。仿真計算結果表面，構建的內部加熱曾能夠實現對PCB板整體的快速加溫，方法可行、高效。

圖4：模擬機箱熱平衡時XY平面溫度分布圖

圖5：單層加熱PCB中心點與四角點溫度隨時間的變化

圖6：雙層加熱PCB中心點與四角點溫度隨時間的變化