印刷電路板制作中電子元件熱設計分析
任楓軒，李洋 (河南職業技術學院鄭州450046)(天津城市建設學院天津300384)
摘要:本文從分析電子設備中電子元件的熱失效和可靠性與溫度變化的關系入手，提出了在印制電路板制作中電子元件的熱設計分析的目的、原則和要求，分析了印制電路板的電子元件的選材、布局和通道設計具體實施方案，為電子產品熱可靠性設計奠定了基礎。
關鍵詞:印刷電路板,熱失效,熱可靠性,熱設計,布局
現代電子產品正朝著輕、薄、短、小的趨勢發展，隨著電子元器件的集成度提高，其發熱密度也越來越高，相應地電子產品的過熱問題也就越來越被關注。如果在電子產品設計過程中不注重熱分布的設計，元件產生的熱流就不能得到很好的控制，最終將給產品工作可靠性帶來一定的影響，造成元器件工作不穩定甚至失效。特別是在印刷電路板元件布置設計過程中，熱設計問題尤為重要。
造成電子元件失效的原因雖有很多，但受溫度影響造成電子設備失效的因素占有較大比重。在印刷電路板的制作中，熱設計的好壞直接關系到印刷電路板的可靠穩定運行及其使用壽命。熱設計不良最終將使得成本上升而且還會降低可靠性，大多數的PcB設計中都可能存在這些問題，諸如航空航天、汽車及消費電子產品等。故準確確定元件功耗，再進行PcB板級的熱分析，這樣有助于生產出小巧且功能性強的產品。在進行PcB板熱分析時，應使用準確的熱模型和元件功耗，以免降低PcB板的設計效果。
一、電子元件失效率與溫度的關系
電子元件的主要失效形式是熱失效，及隨著溫度的增加。
其失效率呈指數增長趨勢。在電子行業中，器件環境溫度每升高100℃時，往往其失效率增加一個數量級，這就是所謂的“100℃法則”。根據相關文獻記載，電子設備的失效率有55％是溫度超過規定的值引起的，因此，對電子設備而言，即使是降低10℃，也將使設備的失效率降低一個可觀的量值，這對于可靠性要求高的電子系統尤為重要。例如，PIIl500芯片，其集成的元器件數目達到了百萬之多，運行溫度顯著提高，雖然采用了散熱片、風扇等措施來進行冷卻降溫，但仍得不到所要求的效果，Intel公司不得不將其工作電壓從5V降低到3v，甚至更低，以減小其功耗，控制內部溫度，保證其正常工作。可見，在設計電子設備的印刷電路板時，熱設計是十分重要的。表1顯示了電子元器件失效率隨溫度變化的數據。
二、電子元件可靠性受溫度影響的因素
電子元件可靠性是指在具體的使用條件下，能正常工作到使用壽命為止。所有電子元件都對溫度敏感，超出極限溫度時
它們的性能將變得很差，如果溫度大大超出工作溫度范圍，元件可能會損壞。電子元器件的工作溫度是通常是由生產制造商規定的，一般情況下規定為工業級一20～+85℃；民用級O～70℃；軍用級：一55～120℃。
電子設備是由大量的電子元件組成的，正是這些電子元器件的功耗造成了電子設備的內部及其周圍環境溫度過高，導致電子設備失效率大大增加，降低了設備的可靠性和使用壽命。
電子器件所用的材料都具有一定的溫度極限，當超過這個極限時，物理性就會發生變化，器件就不能發揮它預期的作用，還有可能發生故障，從電子元件故障率的統計數據中可以看出電子器件的故障率與其工作溫度有密切關系，由圖l所示，可以明顯看出溫度對電子設備的可靠性起著重要的作用。
三、印刷電路板上電子元件熱設計分析
1、印刷電路板上電子元件熱設計的目的
進行熱設計的目的就是利用熱的傳遞特性，在充分掌握各種設備失效參數的前提下，通過優化設計熱流通路，降低設備與散熱環境之間的熱阻，并提供一個溫度比較低的散熱器，以較少的冷卻代價把設備內部有害的熱量盡可能釋放摔，使設備在其所處環境條件下，保持在可靠性要求規定的溫度范圍之內，確保設備可靠、安全的工作。
在熱設計中，控制電子設備內電子元器件的溫度，使其溫度在電子設備所處的工作環境條件下不超過規定的最高安全溫度，并使其溫度變化達到最小。最高安全溫度的計算應該以元件的應力分析為基礎，并應與要求的設備可靠性和分配給每一個元器件的失效率相對應。熱設計的宗旨是提供熱阻相當低的熱流通路，以使元器件溫度在最高環境溫度時或在冷卻劑效率最低時不會超過元件熱應力分析所確定的最大值。
2、電子熱設計的原則
熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計、維修性設計同時進行，在不損壞電氣性能，并符合可靠性要求的條件下，提高設備的可維修性，使設備的壽命周期費用降到最低：同時根據功耗、環境溫度、允許工作溫度、經濟性與安全性等因素，選擇最簡單、最有效的冷卻方案，并且方案應該適用于工程型號電子設備的環境條件。
(1)在有輻射的環境下應考慮輻射給設備帶來的過熱問題；
(2)在惡劣環境下工作的設備，還應考慮怎樣有效地防止諸如燃料油微粒、灰塵等沉積物的措施，以免增大設備的有效熱阻，降低冷卻效果；
(3)在工作環境或狀態有變化的情況下，還應該考慮這些因素對元件的溫度的影響，使溫度變化引起的熱波動減少到最低程度，以免影響設備的可靠性；
(4)熱設計還應該保證電子設備在緊急情況下，具有最起碼的冷卻措施，關鍵元件，即使冷卻系統遭到破壞或不工作情況下，仍應具有繼續工作的能力。
3、電子元件熱設計的基本要求
(1)熱設計應滿足電子設備工作在低于最高允許的工作溫度和功耗條件下；
(2)滿足設備預期工作的熱環境要求；
(3)滿足對冷卻系統的限制要求并且符合相關標準、規范的要求。
4、印刷電路板制作中電子元件熱設計實施方案
(1)合理選材
印刷電路板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過125℃，此為常用的典型值，根據選用的板材可能不同。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過125℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。采用多層板結構有助于PCB熱設計。
(2)保證熱通道暢通
充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道，保證熱量順利導出PcB板。在設計中加入一些熱通孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。
(3)元器件的合理布局
一些經驗上元器件布局時所遵循以下方案：
①避免PcB上的熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PcB表面溫度性能的均勻和一致； ②最高辯卿發熱最大的器件布置徽最佳位置附近；
③不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置；
④在設計功率電阻時盡可能選擇體積大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間；
⑤高熱耗散器件在與基板連接時應盡能減少它們之間的熱阻：
⑥為了更好地滿足熱特性要求，在芯片底面可使用一些熱導材料(如涂抹一層導熱硅膠)，并保持一定的接觸區域供器件散熱；
⑦器件與基板的連接
口盡量縮短器件引線長度；
口選擇高功耗器件時，應考慮引線材料的導熱性，如果可能的話，盡量選擇引線橫截面最大者；
口選擇管腳數較多的器件。
⑧器件的封裝選取
口在考慮熱設計時應注意器件的封裝說明和它的熱傳導率；
口應考慮在基板與器件封裝之間提供一個良好的熱傳導路徑；
口在熱傳導路徑上應避免有空氣隔斷，如果有這種情況可采用導熱材料進行填充。
目前解決印刷電路板上電子元件過熱問題的熱分析和熱
設計，早己引起國內外研究部門的高度重視，而且得到了迅速發展。本文針對印刷電路板板上電子元件的熱設計及其優化布
局的問題進行分析，并給出了在印刷電路板制作中隊電子元熱設計時所采取的具體方案，以解決制作印刷電路板中電子元件的過熱問題，這對于提高電子設備的熱可靠性具有十分重要的意義。
參考文獻
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