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热循环PCB设计的热力学分析


在具有大量计算能力的产品中,热量始终是考虑因素,您需要消除热量以使组件保持在安全温度下。热管理的另一个方面是检查高温下的热膨胀,这会在PCB的关键结构上施加压力,尤其是在HDI制度下。例子包括小间距BGA和高纵横比微通孔。

更多的电路板被推入HDI制度,其他电路板在运行过程中可能会经历较大的温度上升。仅仅达到高温并不总是一个问题,可能导致故障的更危险的问题是反复循环。如果您可以使用功能强大的3D场求解器进行CFD热模拟,则可以确定电路板上的哪些结构会达到无法接受的温度并承受热膨胀带来的压力

PCB的热机械分析过程

由于热膨胀在将要反复进行热循环的任何PCB中都非常重要,因此您需要确定电路板上的导体在循环期间将膨胀多少。当将板加热到高温时,基板和导体会膨胀,但是它们可以以不同的速率膨胀。FR4基板比铜承受更大的膨胀,这会给导体造成压力。板上的走线足够厚,因此较不容易出现故障。真正的可靠性危险在于脆性的焊点和通孔,尤其是微通孔和未打孔的镀通孔。

FR4中,一旦板的温度升高到玻璃化转变温度之上,热膨胀系数(CTE)就会增加。如果您的电路板要在高温下运行,并且希望保持在玻璃化转变温度以下,则始终极好使用高Tg层压板。随着板上所有元件的扩展,应力会累积并导致微小的裂纹在导体中传播。在高温和低温之间反复循环之后,这些裂纹可能会融合,从而导致断裂。更具延展性的材料(例如,添加了铟的焊料)在失效之前会经历更多的循环。加热与热膨胀之间的这种关系在热力学分析中至关重要。

在重复的热循环过程中模拟微裂纹的积累不是一个简单的问题,而直接模拟它在随机系统中是一个复杂的随机游走问题。但是,如果您具有因热循环而引起的微孔可靠性和焊点可靠性的实验数据,则可以准确估计可能导致断裂的循环数。通常,当极端温度之间的差异较小时,电路板可以承受更多的循环。

电子设备的热机械分析过程按以下顺序进行:

稳态温度计算:计算单板运行时的稳态温度。这应该包括所有冷却风扇和组件的运行。

将温度上升转换为体积膨胀:一旦计算了电路板每个区域的温度,就可以使用CTE值将其转换为体积变化。

计算由于膨胀引起的各种结构的应变:板上不同结构承受的应变等于体积膨胀。对于在膨胀下受到机械应力的通孔,通孔会承受一些额外的机械应变。

然后,将您在系统中计算出的温度变化乘以CTE值,即可确定热应变。对于导体上的总应变,您需要考虑膨胀过程中应变的确切结构。

热力学分析中的导体和通孔可靠性

在重复的热循环下,表面层或内层上的导体不易发生热故障。相反,通孔在特定位置容易断裂。通孔上热机械应力和断裂的根本原因是铜导体和基板材料的CTE值不匹配。 

铜的CTE值约为16 ppm / K,而FR4CTE值沿厚度方向约为70 ppm / K。下图显示了膨胀的基板如何在通孔结构上施加应力。黄色箭头表示施加到通孔的位置和方向应力。

这是不同的通孔结构在热膨胀过程中容易失效的原因。请注意,通孔中的焊盘,焊盘和枪管可能会发生断裂,但是已知某些特定位置非常容易断裂

高和低长宽比电镀通孔

高纵横比的通孔最容易在通孔桶的中间附近破裂。发生这种情况的原因是,电镀液通过毛细作用力被吸入通孔,并且当长径比大时,电镀液会从中心附近的通孔针筒中耗尽。这意味着所形成的镀层在通孔镜筒中心附近更薄。较低深宽比的通孔可以更均匀地电镀,这意味着通孔桶中心附近的电镀厚度可与通孔末端附近的电镀厚度相媲美。假设您的堆积是对称的,那么人们会期望断裂会稍微靠近顶部表层。

微孔

反复进行热循环或电路板极端膨胀后,微孔的颈部和底部最容易断裂。颈部区域向内弯曲,应力可以集中在微孔过渡区域。在底部,叠层会拉动盲孔/埋孔之间的界面,再次产生破裂的风险。下面显示了一些显微镜图像,显示了两个微孔底部的微孔破裂。

在板上确定了易受影响的结构后,就可以确定哪些区域适合采用更激进的热管理解决方案。一些简单的选择(例如使用不同的基板或重新布置组件)可使温度降低到足以使电路板承受反复的热循环而不会发生故障。

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