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高溫PCB-一種適用于耐高溫電路板
來源：CLTPHP 時(shí)間：2020/03/28
眾所周知，設(shè)計(jì)人員正在從印刷電路板中擠出更多性能。功率密度正在上升，隨之而來的高溫可能對(duì)導(dǎo)體和電介質(zhì)造成嚴(yán)重破壞。升高的溫度-無論是由于I2R損耗還是環(huán)境因素引起的-都會(huì)影響熱阻和電氣阻抗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，即使不是完全故障。導(dǎo)體和電介質(zhì)之間的熱膨脹率差異（衡量材料受熱時(shí)膨脹和冷卻時(shí)收縮的趨勢(shì)的量度）會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致開裂和連接失敗，尤其是在電路板受到周期性加熱和冷卻的情況下。如果溫度足夠高，則電介質(zhì)可能會(huì)完全失去其結(jié)構(gòu)完整性，從而使第一個(gè)多米諾骨牌陷入困境。
發(fā)熱一直是影響PCB性能的一個(gè)因素，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于將散熱器包括在PCB中，但是當(dāng)今高功率密度設(shè)計(jì)的要求經(jīng)常使傳統(tǒng)PCB的熱量管理做法不堪重負(fù)。
減輕高溫的影響不僅對(duì)高溫PCB的性能和可靠性，而且對(duì)以下因素也具有深遠(yuǎn)的影響：
組件（或系統(tǒng)）重量
申請(qǐng)規(guī)模
成本
電源要求
甲高溫電路板通常被定義為一個(gè)與Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）高于170℃。
對(duì)于連續(xù)熱負(fù)載，在低于Tg 25°C的工作溫度下，高溫PCB應(yīng)該遵循簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則。
因此，如果您的產(chǎn)品在130°C或更高的溫度范圍內(nèi)，則建議使用高Tg的材料。
最常見的高Tg材料包括：
-ISOLA IS410
-ISOLA IS420
-ISOLA G200
-勝藝S1000-2
-ITEQ IT-180A
-雅隆85N
在本文中，我們將討論高溫PCB制造和PCBA中使用的一些設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高溫應(yīng)用。
PCB散熱技術(shù)與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
熱量通過一種或多種機(jī)制（輻射，對(duì)流，傳導(dǎo)）消散，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在決定如何管理系統(tǒng)和元器件溫度時(shí)必須牢記這三個(gè)因素。
重銅PCB
輻射
輻射是電磁波形式的能量發(fā)射。我們傾向于認(rèn)為它僅是發(fā)光的事物，但事實(shí)是，溫度高于絕對(duì)零的任何物體都會(huì)輻射熱能。雖然通常散發(fā)的熱量對(duì)電路板性能的影響最小，但有時(shí)可能是稻草折斷了駱駝的后背。為了有效地去除熱量，電磁波應(yīng)遠(yuǎn)離源具有相對(duì)清晰的路徑。反射表面使光子的外流受挫，使大量光子在其源上重新聚集。如果不幸的是反射面共同形成了拋物面鏡效應(yīng)，它們會(huì)集中許多光源的輻射能量，并將其聚焦在系統(tǒng)的一個(gè)不幸部分上，從而造成真正的麻煩。
對(duì)流
對(duì)流是將熱量傳遞到流體（空氣，水等）上。對(duì)流是“自然”的：流體從熱源吸收熱量，密度降低，從熱源升至散熱器，冷卻，密度增大，再回到熱源，然后重復(fù)該過程。（回想一下小學(xué)的“雨周期”）其他對(duì)流是由風(fēng)扇或水泵“強(qiáng)迫”的。影響對(duì)流的關(guān)鍵因素是源與冷卻劑之間的溫度差，源傳遞熱量的難易程度，冷卻劑吸收熱量的難易程度，冷卻劑的流量以及傳熱的表面積。液體比氣體更容易吸收熱量。
傳導(dǎo)性
傳導(dǎo)是通過熱源和散熱器之間的直接接觸進(jìn)行的熱傳遞。從許多方面講，它類似于電流：源和宿之間的溫度差類似于電壓，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量類似于安培數(shù)，熱量流經(jīng)導(dǎo)熱體的難易程度類似于電流。電導(dǎo)。實(shí)際上，構(gòu)成良好電導(dǎo)體的因素也往往也構(gòu)成良好的熱導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兌即矸肿踊蛟舆\(yùn)動(dòng)的形式。例如，銅和鋁是熱和電的極好導(dǎo)體。較大的導(dǎo)體橫截面可提高熱量和電子的傳導(dǎo)性。就像電路一樣，長而曲折的流動(dòng)路徑會(huì)嚴(yán)重降低導(dǎo)體的效率。
通常，從電路板上去除熱量的主要機(jī)制是將熱量傳導(dǎo)到合適的散熱器，對(duì)流將熱量傳導(dǎo)到環(huán)境中。熱量會(huì)直接從源中散發(fā)出一些熱量，但通常是通過專門設(shè)計(jì)的通道（稱為“熱通道”或“熱通道”）將大部分熱量帶走。PCB散熱器相對(duì)較大，發(fā)射率很高的表面（通常是波紋狀或帶鰭狀，以進(jìn)一步增加表面積），與導(dǎo)電（例如銅或鋁）背襯粘合，這是一個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的過程。PCB散熱器也可以連接到設(shè)備的機(jī)箱，以利用其表面積。通常使用風(fēng)扇來提供冷卻空氣流，在極端情況下，冷卻空氣本身可在氣液熱交換器中冷卻。
歸根結(jié)底，設(shè)計(jì)人員可用的熱量管理選項(xiàng)包括降低功率密度，將設(shè)備與熱源分離或隔離，提供更強(qiáng)大的冷卻機(jī)制（例如，更大的風(fēng)扇，液體冷卻系統(tǒng)等），增加尺寸。散熱片的可及性，使用更大的導(dǎo)體或使用能夠承受更高溫度的特殊材料。所有這些都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本，大小和重量產(chǎn)生影響，因此必須在最早的概念開發(fā)和設(shè)計(jì)階段就予以考慮。
新的熱管理技術(shù)
PCB制造商充分意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)制造方法的局限性，并通過提供專門針對(duì)高溫設(shè)計(jì)的新型PCB來努力應(yīng)對(duì)當(dāng)今的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些PCB均采用沉重的銅電路來提高其載流能力，同時(shí)降低I 2 R損耗，但是它們的實(shí)現(xiàn)方式可能會(huì)有很大差異。
正如描述所暗示的那樣，我們?cè)絹碓娇吹健爸劂~”和“極銅”板，它們使用的銅層比標(biāo)準(zhǔn)PCB厚，重。如果到處都不需要重（或極端）銅，則可以將重銅電路和標(biāo)準(zhǔn)銅電路組合在一起，以允許在單個(gè)板上承載電源電流和信號(hào)電流。
除了特殊的蝕刻和電鍍技術(shù)外，重/極銅PCB的制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)PCB相似。優(yōu)點(diǎn)是更大的載流能力，更低的I 2 R損耗，更高的機(jī)械強(qiáng)度，具有并入高效車載散熱片和車載平面變壓器之類的功能以及減小產(chǎn)品尺寸（由于該能力）的能力。將重型和標(biāo)準(zhǔn)電路組合在一塊板上）。相對(duì)成本較低，因?yàn)榘遢d散熱器不需要繁瑣的手工制造標(biāo)準(zhǔn)的，粘合的散熱器。
另一種方法是嵌入沉重的矩形銅線以代替沉重/極端的銅鍍層。與標(biāo)準(zhǔn)PCB相比，優(yōu)勢(shì)與重/極銅PCB相似：能夠合并功率電流和信號(hào)電流，減少熱量產(chǎn)生和改善散熱，提高強(qiáng)度，消除連接器，減少層數(shù)，減小整體系統(tǒng)體積。一些人聲稱，與厚銅板相比，嵌入式銅板更容易焊接，但應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)估。
應(yīng)當(dāng)考慮的另一種熱管理技術(shù)是可與標(biāo)準(zhǔn)PCB設(shè)計(jì)軟件包（例如Mentor Graphics的FloThermPCB?）集成的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件。隨著性能邊界的推力越來越大，舊的經(jīng)驗(yàn)法則和餐巾紙熱量計(jì)算變得越來越不可靠。出色的CFD套件（特別是專門為PCB或電子冷卻應(yīng)用設(shè)計(jì)的套件）可以勝任，可以消除大量的猜測(cè)，提高設(shè)計(jì)效率，避免潛在的代價(jià)高昂的錯(cuò)誤，并縮短上市時(shí)間。
設(shè)計(jì)和開發(fā)
考慮到所有先前的權(quán)衡，至關(guān)重要的是，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)必須由代表關(guān)鍵利益相關(guān)者的團(tuán)隊(duì)來制定：客戶，銷售和市場(chǎng)營銷，當(dāng)然還有客戶服務(wù)，采購，制造和銷售方面知識(shí)淵博的成員工程部門。供應(yīng)商，例如PCBA加工制造商，必須具有制造設(shè)計(jì)和技術(shù)專長，是團(tuán)隊(duì)不可分割的一部分；制造，組裝，測(cè)試和服務(wù)注意事項(xiàng)必須內(nèi)置，而不是增加。
