高温环境下大功率PCB的设计

作为最常见的元器件集成平台，多层PCB将电路板和元器件连接在一起。随着电子产品的轻、薄、小、高性能化，IC元器件的集成度越来越高，PCB的集成度也越来越高。结果，发热明显增加，PCB的热密度越来越高，特别是由于A/D或D/A等高频IC元件的大量使用和电路频率的提高。如果大量的热损失未能散发出去，将极大地影响电子设备的可靠性。据统计，在导致电子设备故障的因素中，温度占比高达55%，居首位。随着温度的升高，电子元器件的故障率将呈指数增长。一旦环境温度升高10°C，一些电子元件的故障率会增加到两倍大。对于航空航天产品来说，这种热控设计更是不容忽视，特殊环境下各种电路的设计方法不当，可能会导致整个系统完全失效。因此，PCB设计过程中必须重视热设计。

分析应从原因分析开始。 PCB高温的直接原因在于功耗元件的存在。每个部件都有不同程度的功耗，从而引起热强度的变化。升温现象有两种：局部升温或大面积升温和短期升温或长期升温。传热有3种方式：热传导、热对流和热辐射。辐射通过穿过空间的电磁波运动来消散热量。由于辐射散热的特点是热量相对较低，因此通常被认为是一种辅助散热方式。本节将介绍一种基于导热和散热器瞬态蓄热技术的PCB在高温环境下长期运行过程中的散热问题，并以某类伺服PCB为例。

在这个伺服PCB上，有2个功率为2W的功放芯片，2个R/D转换芯片，2个CPU芯片，1个EPLD芯片和1个A/D转换芯片。该伺服 PCB 的总功率为 9W。伺服 PCB 安装在空气对流有限的密闭环境中。此外，由于空间有限，无法在伺服 PCB 上安装散热板。为了保证伺服PCB的正常工作，只能利用导热和散热片瞬态蓄热技术将PCB产生的热量传递给机体。

通过金属芯PCB散热是常用的方法。首先，在多层PCB之间嵌入一块导热性能优良的金属板。然后，直接从金属板散热或将分离设备连接到金属板上以散热。运行结构如图1所示。

金属芯PCB的主要材料包括铝、铜和钢。它也可以用作地面层。金属芯PCB的上层和下层可以通过电镀通孔互连，热量可以在金属芯PCB的内层和表面传递。加热元件可以通过底部和导热孔直接焊接在板上。结果，发热元件产生的热量直接传递到金属芯PCB，金属芯PCB通过导热孔将热量传递到切线机箱并散发出去。具有这种结构的PCB具有广泛的应用范围，但它们也会引起一些问题。金属芯PCB过厚，散热不均匀容易发生变形，导致PCB上的芯片与引脚接触不牢固。金属芯PCB散热方便快捷，给换片和换片过程带来了极大的困难；金属芯PCB的局部吸热会导致PCB的严重变形。经验证，PCB面积越大，越容易变形。

为了解决上述问题，必须对金属芯PCB进行升级设计：

一个。 4层厚度0.15mm的铜箔可夹入PCB，使PCB的厚度增加3mm，保证PCB不易变形，提高过孔可靠性。

湾。对于发热量为2W的芯片，可以在芯片底部添加SMT焊盘，将热量传递到PCB的金属层。

C。芯片底部通过大面积的铜箔和导热通孔将热量传递到内部铜箔层。

d。 PCB两侧的绝缘层可以磨掉，实现PCB边缘金属化。散热可以通过裸边PCB和底座之间的接触来实现。 36颗螺丝即可完成安装，增加PCB与机身的导热性。

上述措施实施后，升级后的PCB设计如图2所示。

为了建立伺服PCB的仿真建模和分析，软件FLoTHERM用于电子设备发热情况。伺服PCB的边缘条件为：环境为65°C，运行时间为90分钟。伺服 PCB 上的元件均满足 X 降额要求。各部件的允许体温如下表所示：

伺服PCB上的主要功率元件包括2个芯片（49.76mm*41.4mm），每个芯片的热耗为2W。伺服PCB上其他元件的总热耗为5W，整个PCB的热耗为9W，伺服驱动元件10W，电源40W，伺服和电源的总热耗为59W。

伺服控制芯片温度如图3所示。

在65℃环境下运行90分钟的发热分析表明：在连续运行30分钟的过程中，芯片温度迅速上升，达到72℃以上；在连续运行50分钟的过程中，芯片温度逐渐保持稳定；在连续运行90分钟的过程中； 2W芯片（87°C）的体温为77.9°C； 0.6W芯片（87°C）的体温为84°C;； 0.5W芯片（87°C）的体温为78.2°C； 0.5W芯片（85°C）的体温为77°C;。

根据计算模拟热设计工况，伺服控制芯片温度保持在合理范围内。在理论分析的过程中，芯片和PCB之间默认是没有空隙的。但在实际安装过程中，它们之间可能会有一定的空隙，可以用硅胶填充空隙，保证PCB的散热效果。

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