印刷电路板制作中电子元件热设计分析
任枫轩，李洋 (河南职业技术学院郑州450046)(天津城市建设学院天津300384)
摘要:本文从分析电子设备中电子元件的热失效和可靠性与温度变化的关系入手，提出了在印制电路板制作中电子元件的热设计分析的目的、原则和要求，分析了印制电路板的电子元件的选材、布局和通道设计具体实施方案，为电子产品热可靠性设计奠定了基础。
关键词:印刷电路板,热失效,热可靠性,热设计,布局
现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度提高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重热分布的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在印刷电路板元件布置设计过程中，热设计问题尤为重要。
造成电子元件失效的原因虽有很多，但受温度影响造成电子设备失效的因素占有较大比重。在印刷电路板的制作中，热设计的好坏直接关系到印刷电路板的可靠稳定运行及其使用寿命。热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性，大多数的PcB设计中都可能存在这些问题，诸如航空航天、汽车及消费电子产品等。故准确确定元件功耗，再进行PcB板级的热分析，这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。在进行PcB板热分析时，应使用准确的热模型和元件功耗，以免降低PcB板的设计效果。
一、电子元件失效率与温度的关系
电子元件的主要失效形式是热失效，及随着温度的增加。
其失效率呈指数增长趋势。在电子行业中，器件环境温度每升高100℃时，往往其失效率增加一个数量级，这就是所谓的“100℃法则”。根据相关文献记载，电子设备的失效率有55％是温度超过规定的值引起的，因此，对电子设备而言，即使是降低10℃，也将使设备的失效率降低一个可观的量值，这对于可靠性要求高的电子系统尤为重要。例如，PIIl500芯片，其集成的元器件数目达到了百万之多，运行温度显著提高，虽然采用了散热片、风扇等措施来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果，Intel公司不得不将其工作电压从5V降低到3v，甚至更低，以减小其功耗，控制内部温度，保证其正常工作。可见，在设计电子设备的印刷电路板时，热设计是十分重要的。表1显示了电子元器件失效率随温度变化的数据。
二、电子元件可靠性受温度影响的因素
电子元件可靠性是指在具体的使用条件下，能正常工作到使用寿命为止。所有电子元件都对温度敏感，超出极限温度时
它们的性能将变得很差，如果温度大大超出工作温度范围，元件可能会损坏。电子元器件的工作温度是通常是由生产制造商规定的，一般情况下规定为工业级一20～+85℃；民用级O～70℃；军用级：一55～120℃。
电子设备是由大量的电子元件组成的，正是这些电子元器件的功耗造成了电子设备的内部及其周围环境温度过高，导致电子设备失效率大大增加，降低了设备的可靠性和使用寿命。
电子器件所用的材料都具有一定的温度极限，当超过这个极限时，物理性就会发生变化，器件就不能发挥它预期的作用，还有可能发生故障，从电子元件故障率的统计数据中可以看出电子器件的故障率与其工作温度有密切关系，由图l所示，可以明显看出温度对电子设备的可靠性起着重要的作用。
三、印刷电路板上电子元件热设计分析
1、印刷电路板上电子元件热设计的目的
进行热设计的目的就是利用热的传递特性，在充分掌握各种设备失效参数的前提下，通过优化设计热流通路，降低设备与散热环境之间的热阻，并提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放摔，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求规定的温度范围之内，确保设备可靠、安全的工作。
在热设计中，控制电子设备内电子元器件的温度，使其温度在电子设备所处的工作环境条件下不超过规定的最高安全温度，并使其温度变化达到最小。最高安全温度的计算应该以元件的应力分析为基础，并应与要求的设备可靠性和分配给每一个元器件的失效率相对应。热设计的宗旨是提供热阻相当低的热流通路，以使元器件温度在最高环境温度时或在冷却剂效率最低时不会超过元件热应力分析所确定的最大值。
2、电子热设计的原则
热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计、维修性设计同时进行，在不损坏电气性能，并符合可靠性要求的条件下，提高设备的可维修性，使设备的寿命周期费用降到最低：同时根据功耗、环境温度、允许工作温度、经济性与安全性等因素，选择最简单、最有效的冷却方案，并且方案应该适用于工程型号电子设备的环境条件。
(1)在有辐射的环境下应考虑辐射给设备带来的过热问题；
(2)在恶劣环境下工作的设备，还应考虑怎样有效地防止诸如燃料油微粒、灰尘等沉积物的措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果；
(3)在工作环境或状态有变化的情况下，还应该考虑这些因素对元件的温度的影响，使温度变化引起的热波动减少到最低程度，以免影响设备的可靠性；
(4)热设计还应该保证电子设备在紧急情况下，具有最起码的冷却措施，关键元件，即使冷却系统遭到破坏或不工作情况下，仍应具有继续工作的能力。
3、电子元件热设计的基本要求
(1)热设计应满足电子设备工作在低于最高允许的工作温度和功耗条件下；
(2)满足设备预期工作的热环境要求；
(3)满足对冷却系统的限制要求并且符合相关标准、规范的要求。
4、印刷电路板制作中电子元件热设计实施方案
(1)合理选材
印刷电路板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125℃，此为常用的典型值，根据选用的板材可能不同。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素，热点温度应不超过125℃。尽可能选择更厚一点的覆铜箔。特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。采用多层板结构有助于PCB热设计。
(2)保证热通道畅通
充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道，保证热量顺利导出PcB板。在设计中加入一些热通孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。
(3)元器件的合理布局
一些经验上元器件布局时所遵循以下方案：
①避免PcB上的热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上，保持PcB表面温度性能的均匀和一致； ②最高辩卿发热最大的器件布置徽最佳位置附近；
③不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置；
④在设计功率电阻时尽可能选择体积大一些的器件，且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间；
⑤高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻：
⑥为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料(如涂抹一层导热硅胶)，并保持一定的接触区域供器件散热；
⑦器件与基板的连接
口尽量缩短器件引线长度；
口选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，如果可能的话，尽量选择引线横截面最大者；
口选择管脚数较多的器件。
⑧器件的封装选取
口在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率；
口应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径；
口在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。
目前解决印刷电路板上电子元件过热问题的热分析和热
设计，早己引起国内外研究部门的高度重视，而且得到了迅速发展。本文针对印刷电路板板上电子元件的热设计及其优化布
局的问题进行分析，并给出了在印刷电路板制作中队电子元热设计时所采取的具体方案，以解决制作印刷电路板中电子元件的过热问题，这对于提高电子设备的热可靠性具有十分重要的意义。
参考文献
1．连芬，电子设备可靠性热设计手册．电子工业出版社．1989；
2．丁晓东，简谈电子设备的热设计．现代电子技术．2000第118期；
3．齐永强，何雅玲等，电子设备热设计的初步研究．现代电子技术．2003第l期；
4．于慈远，计算机辅助电子设备热分析、热设计及热测试技术的研究『博士后工作研究报告J．北京航空航天大学．2000．
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