印制电路板的热可靠性设计
生建友(总参第六十三研究所，江苏南京210016)
摘要：可靠的热分析、热设计是提高印翩电路板热可靠性的重要措施。在分析热设计基本知识的基础上，讨论了散热方式的选择问题和具体的热设诗 热分析技术措施。
关键词：PCB,热分析,热设计
中圈分类号：TN 41 文献标识码：A
Thermal Reliability Design for PCB
SHENG Jianyou(NO．63 Research Institute of PI A General Staf，Nanjing 210016．China)
Abstract： The reliable thermal analysis＆design is an important|lleaslre to improving the PCB’s reliability Based on the basic knowledge of thermal design，the question of selecting the cooling plan and the specific technical 0fleasure of thermal analysis＆design are discussed in this article
Keywords： PCB；thermal analysis；thermal design
1前言
印制电路板是各类电子、电信设备用得最多也是最基本的组装单元，它一般由印制版、兀器件、插座和导轨组成 随着大规模、超大规模集成电路和表面贴装技术的出现，印制电路板和电子、电讯设备向小型化 轻量化、多功能、高性能、高速度(信息处理速度)、高可靠性方向发展，以满足军用、民用电子、电信设备的需要。由于电路模块集成度的不断增加和大量应用，印制电路板的组装密度也不断增加，使得印制电路板上的热流密度很大，例如有的芯片热流密度高达100 w／ m 因此对印制电路板的热分析、热设计显得尤为迫切，而对于如此高的热流密度．传统的热设计方法已不能满足它的需要，急需研究新的热设计技术。
热是影响设备工作可靠性的重要因素，热设汁的根本任务就是控制好印制电路板的温升．使其不超过可靠性规定的限值，确保设备的热可靠性并安全工作。
2 热设计理论
热设计的理论基础是传热学和流体力学 热量总是从温度高的部分向温度低的部分流动，热量的流动大致有3种不同的形态：传导、对流、辐射。
这3种传热形式中，对热设汁有重要意义的是它们在传热过程中的热阻，其计算公式可参阅文献[1]，热设计的目的就是要减小传热路径上的热阻，使热量迅速传到热地(散热器、机箱等)。由电子元器件的结片至热地之间的总热阻可划分为器件级、组装级和系统级：器件级热阻又称为内阻；组装级热阻又称为外阻：系统级热阻又称为最终热阻 内外热阻与器件结温的关系为：
印制电路板热设计总的要求就是使热源至耗热空间(如散热器等)热通道的热阻降至最小或者是将印制电路板的热流密度限制在可靠性规定的范围内。为保证可靠性指标的实现，必须要采取有效的热设计措施。热设计措施主要包括：
a)散热。利用空气或液体作为冷却剂，靠自然对流或强制对流的方式，带走印制电路板的耗热。
bl制冷 利用制冷技术，如温差电器件、某些液体的蒸发吸热等，使印制电路板的工作环境温度低于周围环境的温度。
c1恒温。利用变相材料的吸、放热过程，可变导热管的控温特性，温差电效应等，使印制电路板的工作温度严格恒定在某一温度范围．以保证器件工作的稳定性。
d)管传热。利用热管高效传热的特性，解决大温差条件下温度的均衡，密封机箱内热量导出．
以减少温差或温升对设备的危害。
设计中，可根据印制电路板的实际工作环境，
选择一种或几种热设计措施．以保证引制电路板的温度分布均匀且温升不超过可靠性规定的限值
3 热设计技术
对于寒冷环境下工作的设备，其印制电路板的的热设计可通过上述恒温、热管传热或热电致热等技术来保证其正常工作．这些技术已相对成熟．本文不做详细讨沦。而对于酷热环境下1‘作的设备．
其印制电路板的热设计就显得比较困难．其设计技术也比较复杂．有些问题还有待于进一步研究．本文主要讨论这一问题。
热设计之前占先要确定散热方 C．散热方 C的选择取决于很多因素，如印制电路极(或元什 的
总发热量、印制电路板(或元件)的允许温 、设备(印制电路板)的丁作环境、印制板上元器件组装方式致布局等多种因素，具体的选择程序及方法参见有关文献。目前，国内外应用最为广泛的是传导冷却以及自然对流和辐射冷却技术，即自然冷却技术。自然冷却技术具有可靠性高．结构、工艺简单，成本低等特点，其导热热阻完全可以通过选材与合理的结构设计、完善的工艺措施、最佳的布局和Ij妙的安装等达到预期的效果，而且可以进行控制
确定散热方式后，应仔细研究印制电路板的设计方案，采取相应的技术措施对其进行热设计。由传热学理论可知，无论何种热设计技术，首先都应考虑导热热阻问题，减小导热热阻的技术措施主要有以下几点：选用导热系数高的材料作为导热体、缩短导热路径、增加导热面积、增加物体间的接触压力、夹敷导热膏或软金属、提高接触界面的加工精度等。本文蒋从以下几个方面对印制电路板的热设计技术进行详细讨论：印制板的热设计；印制板上元器件的热安装技术；印制板上元器件的布局，导轨的热设计
3 l 印制板的热设计
通常，印制板用的绝缘材料其导热系数都是比较小的，不能期望靠其本身的热传导来散热～导电材料通常用铜箔，其厚度、宽度要根据电流大小、允许温升范围及散热要求来确定， 目前所用的有单层板、双面板和多层板3种，随着设备的多功能、小型化，多层板用得越来越多 图1是多层板的内导体的导体宽度、温升与电流之间的关系曲线图为了提高印制板自身的散热能力，应适当增加铜箔的厚度，尤其是多层板的内导体 此外，还应适当加宽印制板地线的宽度，对于地线．太平面接地不仅可以有效地提高电路的抗干扰能力，而且还具有很好的散热效果，因为这些大面积的铜箔如同金属散热片一样，能迅速向外界散发印制电路板中的热量。另外，为提高印制电路板的抗干扰性能而采取的汇流排措施，实际上也相当于给印制板安装了一个性能良好的散热器，增加r印制电路板的散热能力。图2为汇流排的结构图，其中(a)、(b)分别为汇流排的正面和截面结构图，它是用两片薄层状的铜导体粘接在一起，中间用绝缘薄膜隔开，一片导体作地线，另一片导体作为供电电源线，两层导体均有一系列引出脚，可以直接焊在印制板上为了进一步增强印制板的导热能 ，最好采用散热印制板，散热印制板有导热条式 导热板式(又称冷板式)和金属夹芯印制板， 见图3一其中，导热条(板)可以是实心的也可以是空心的，空心的效果更好，这样可以大大减小其导热热阻，达到迅速传热的目的。采用导热条式、板式印制板，设备可以做成密封式结构，容易达到“三防”的要求，特别适用于军用环境。随着材料科学和加工工艺的不断发展与完善，金属夹芯式印制板得到了广泛应用，如在美国、日本等国家，交换机之类的电子设备上已大量使用，在相同的外界环境条件下，这种印制板的散热效果与其它的印制板相比要提高一个数量级，可以说它代表了当今世界上高功耗电子组装的较高水平
3．2 元器件的热安装技术
由于印制电路板的组装密度较高，为了达到良好的传热效果，除了采用散热印制板外，还应特别注意印制板上元器件的热安装技术。双列直插式元件、大规模／超大规模集成电路以及微处理器等有一半以上的热量是通过本身的引线传递给印制板的，其引线安装孔应采用金属化镀覆孔，以降低引线至印制板的热阻；安装时，将元器件直接跨骑或贴装在导热条上或导热板上，这样可以有效地降低元器件至印制板的热阻 对于大功率器件，则要特别仔细，因为安装界面条件的改变直接影响着接触热阻和器件的可靠性；通常将它们直接安装在散热器上，利用自然对流、辐射换热及热传导直接和周围介质进行热交换，从而保证其结温低于允许的最高结温；为了进一步减小界面热阻，提高其热可靠性，还要在界面上涂一层薄的导热脂或采用导热衬垫，如云母片、硅脂、导热膏、导热硅橡胶片或金属填补剂等。
随着材料科学的不断发展、工艺技术的不断进步，加上模块化理论及设计方法的广泛运用，一些新颖有效的冷却模块不断出现，有效地保证了印制电路板运行的热可靠性，如导热模块(TCM)、液冷模块(LCM)、液冷基板(LCS)、液冷喷射模块、沸腾换热模块、气冷模块等等
3．3 印制板上元器件的合理布局
印制板上的元器件如何布置对于散热来说有很大作用，特别是对于垂直放置的印制板来说意义更大～元器件的安装方位要符合冷却剂的流动特性，有利于冷却剂的流动(即阻力最小)，在一般自然空气冷却的情况下，将器件以纵长方向布置为好；而在强制空气冷却的方式中(如用风扇冷却)，则将器件以横长方式布置为好 有资料介绍，国外有世公司为了增加强制空气玲却的效果，沿着冷却气流的方向在印制板上增加了所谓的紊流排，具体结构参见文献[2】 这样，当冷却气流流动时．由于紊流排的作用，在靠近器件的地方产生涡流，从而使对流换热效率提高，因此增加了印制电路板的散热效果一在同一块印制电路板上的元器件应按其功耗大小及耐热程度分区排列，把不耐热的元件放在冷却气流的最上游(人口处)，耐热性能好的元件放在冷却气流的最下游(出口处)。大、小规模集成电路混合安装时，应把大规模集成电路放在冷却气流的上游处，小规模集成电路放在冷却气流的下游处，以使印制电路板上元器件的温升趋于均匀对于大功率器件，在水平方向上，应辟量靠近印制板边缘布置，以缩短传热路径；在垂直方向上，应尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响：
另外，在布置元器件的位置时要注意均热化问题，大量资料和实践表明，采用均热化设计可以显著提高印制电路板的热可靠性。由于气流总是向阻力小的地方流动，所以元器件的排列要尽可能均匀，避免在某个区域留有较大的卒域．以使冷却气流均匀流动．从而提高散热效果．．1可样，当有几块印制板平行排列时，各板间的间距要尽量相同；甭则，气流将直接从间距大的地方流过．影响其它印制板的冷却效果。
3．4 印制电路板的导轨设计
插入式印制电路板需要有导向导轨，导轨一般都固定在机箱壁上 导轨除了起导向、固定印制电路板的作用外，还是把印制电路板的热量传到机箱壁的一个主要的传热环节。其导轨热阻(义称接触热阻)在印制电路板的传热路径上占有很大比重。
导轨热阻与表面粗糙度、平面度、两接触面间的压力、两接触面的表面处理方法以致接触材料的物理— — 机械性能等诸多因素有关．所以常采取下列技术、工艺措施：
a)提高两接触面表面粗糙度和平面度，精度越高．导轨热阻越小．但是．精度越高其加工成本也会相应增加，通常表面粗糙度只要达到3 2 m就可以了。
导轨材料选用质地软的、导热系数高的磷青铜、铍青铜、紫铜或铝、铝合金等金属，它们在一定的压力下能与配合材料紧密地贴在一起．从而获得较小的热阻。
c1为了撼小接触热阻．应设法增大导轨的夹持力，为此，要采用夹持力很大的楔型锁紧导轨，其单位长度上的热阻分别为G型导轨的1／6、B型导轨的1／4、U型导轨的l／3．而且它还具有很好的防振、抗冲击能力，特别适用于恶劣的军用环境。
d)为r进一步提高导轨的接触压力和接触表面的耐磨性，将其表面进行硬质氧化处理。
4 热分析
热分析是热设计的基础，可靠的热分析是评估热设计好坏的重要手段 热分析必须在进行印制板布线之前的初步设计阶段就同步进行，而且要贯穿于整个设计的全过程，以便及时发现设计上的缺陷并及时修改，这样可以缩短研制周期，提高设计质量 目前，国内在热设计的定性设计方面已取得了很太成绩，有的已达到或接近国际先进水平，但在定量设计方面(包括热分析、热评估等)与国际先进水平还有较大差距 随着科学技术和计算机技术的飞速发展，热分析已从最初的半经验准则方程发展到如今的计算机辅助热分析技术(CATA)．近几年来，国外的热分析技术发展很快，出现了太量的商品化分析软件， 如NATA、CINDA、NATFIN、CATS、TANS、FIUENT等，国内有些科研院所也在开展这方面的工作，并开发出了功能较强的热分析软件 热分析的数学基础是有限元法、有限差分法和边界元法，热分析就是求解非线性方程，其内容为建立数学模型、编制和调试分析程序．最后得出可视化的温度分布图 具体的分析计算步骤为：
a)根据印制电路板的的边界条件、初始条件、进气口的空气速率及周围的温度、出气口的位置等参数建立空气流的数学模型；
l1]根据上述模型硬印制电路板上元器件的具体布局，用有限元法或边界元法和有限差分法建立相关的非线性方程，编制程序并调试，或者是利用现成的商品化分析软件进行分析计算；
c)将计算结果形成文本文件，以便对结果进行分析，同时将计算结果转化为图形文件，生成可视化的三维温度场分布图。
5 结束语
印制电路板的热可靠性设计是一项比较复杂的工作，需要解决的问题很多。随着科学技术和计算机技术的不断发展，材料科学研究的不断深入，加工工艺的不断完善，模块化理论及技术的广泛应用，有力地促进了热分析和热设计技术的发展，必将为科研人员提供更多、更强的分析、设计手段和技术 设计中，设计人员要善于利用新理论、新技术、新手段，积极吸取先进的设计经验和完善的工艺方法，设计出高性能、高可靠性的印制电路板
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