热循环PCB设计的热力分析
关键外卖:
- 了解作为增强电子设计过程的热机械分析
- 发现热力学如何涉及导体和通孔
- 了解增强导线和导体放置的新潜在用途
这种熔岩灯的工作原理是随着蜡的温度变化而热膨胀和收缩。
在具有大量计算能力的产品中，热量始终是一个需要考虑的因素，您需要消除热量以使组件保持在安全的温度。热管理的另一个方面是检查高温下的热膨胀，这将对PCB中的关键结构施加压力，特别是在HDI状态下。例如，细间距bga和高纵横比微通孔。
越来越多的板子被推入HDI状态，而其他板子在运行过程中可能会经历较大的温升。简单地达到高温并不总是一个问题，更危险的问题是可能导致故障的重复循环。如果您可以访问用于热CFD模拟的强大3D场求解器，您可以确定电路板中的哪些结构将达到不可接受的温度，并经历热膨胀带来的压力。
pcb的热力学分析过程
由于热膨胀在任何将重复热循环的PCB中都非常重要，因此您需要确定电路板中有多少导体在循环过程中会膨胀。当一块板被带到高温时，衬底和导体会膨胀，但它们的膨胀速率不同。FR4衬底的膨胀比铜更大，这对导体产生了压力。电路板上的痕迹由于足够厚而不易损坏。真正的可靠性危险在于易碎的焊点和通孔，特别是微通孔和未后钻的镀通孔。
在FR4，热膨胀系数(CTE)增加一旦板的温度上升超过玻璃化转变温度．如果你的电路板在高温下运行，最好使用高tg层压板，因为你想要保持在玻璃转变温度以下。当板子里的所有东西都在膨胀时，应力就会累积，导致导体中出现微小的裂纹。在高温和低温之间反复循环后，这些裂纹可以合并，从而导致断裂。韧性更强的材料(即添加铟的焊料)在失效前可以经历更多的循环。加热和热膨胀之间的关系是热力学分析的中心。
模拟重复热循环过程中的微裂纹积累不是一个简单的问题，直接模拟这一过程是随机系统中复杂的随机游走问题。然而，如果你有关于微孔可靠性和焊点可靠性的实验数据，由于热循环，你可以准确地估计你预计会导致断裂的循环次数。一般来说，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。
电子产品的热力学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部件的运行。
将温升转化为体积膨胀:计算出单板各区域的温度后，可通过CTE值将其转换为体积变化量。
计算各种结构因膨胀而产生的应变:板内不同结构所受的应变等于体积膨胀。对于在膨胀时受到机械应力的孔道来说，孔道会经历一些额外的机械应变。
计算稳态温度分布的最佳工具是使用热CFD模拟器，直接从您的设计数据构建FEA/FDTD网格．然后，您在系统中计算的温度变化乘以确定热应变的CTE值。对于导体的总应变，需要考虑在膨胀过程中受到应变的确切结构。
热力学分析中导体和导线的可靠性
在反复的热循环下，表面层和内层的导体不易发生热破坏。相反，过孔容易在特定位置断裂。铜导体的CTE值与衬底材料的不匹配是通孔和断口产生热机械应力的根本原因。
在厚度方向上，铜的CTE值为~16 ppm/K，而FR4的CTE值为~70 ppm/K。下图显示了膨胀的衬底是如何将应力施加在过孔结构上的。黄色箭头显示了施加到过孔的应力的位置和方向。
热力学分析中通孔热应力的比较。黄色箭头表示由于衬底膨胀而产生的应力的位置和方向。
下面是不同的管道结构在热膨胀过程中容易损坏的原因。需要注意的是，井眼中的地面、垫层和井眼可能会发生裂缝，但也有一些特定的位置是非常容易发生裂缝的。
高和低纵横比镀通孔过孔
长径比大的通孔过孔在过孔筒中部附近最容易发生断裂。这是由于镀液通过毛细管力被拉进过孔，当纵横比较大时，镀液会从过孔管中心附近耗尽。这意味着所产生的镀层在过孔筒中心附近较薄。低纵横比通孔通孔可以更均匀地镀，这意味着在通孔桶中心附近的镀层厚度与在通孔末端附近的镀层厚度相当。假设你的堆叠是对称的，那么人们会期望断裂发生在稍微接近顶部表层的地方。
Microvias
微孔的颈部和底部在重复热循环或板经历极端膨胀后最容易断裂。颈部向内弯曲，应力集中在微孔过渡区。在底部，分层层拉住了盲孔/埋孔之间的界面，再次造成了断裂的风险。一些显微镜图像显示两个微孔底部的微孔断裂如下所示。
在一个充满铜的微孔底部开裂。图片来源:IPC.org
一旦你确定了板上的易感结构，你就可以确定哪些区域是候选区域更积极的热管理解决方案．一些简单的选择，如使用不同的基板或重新排列组件，可以将温度降低到足够低的水平，使电路板可以承受反复的热循环而不会出现故障。
无论你是通过可靠性还是整体热管理策略进行评估，你都需要正确的方法PCB设计和分析软件它集成了一个多物理场三维场求解器，用于热力学分析。Allegro PCB Designer和摄氏度热求解器Cadence提供了一套强大的PCB布局和热管理解决方案分析工具套件．您将获得创建强大的新电子产品所需的设计、模拟和分析功能。
如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．