PCB温度指南

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• 如何测量 PCB 温度
• 一块 PCB 可以承受多少热量？
• PCB 发热的常见原因
• 如何防止 PCB 中的高温
• 联系 MCL 了解您的所有 PCB 需求

温度是印刷电路板 (PCB) 安全性、可靠性和性能的重要因素。高温会很快导致故障和永久性损坏。

有几种情况可能会将热量引入 PCB 的工作中。安装在 PCB 上的组件可能会产生过多的热量。外部元件——例如，复杂系统中的另一个组件，如航空航天系统或医疗应用——可能会产生过多的热量。由于通风不足，PCB 中可能会积聚热量。或者在PCB组装过程中，钻孔和焊接过程中产生的热量可能会对组件造成过度的热应力，从而导致电路板出现缺陷。

无论出于何种原因，工程师都需要管理热量的方法，以确保 PCB 能够承受不可避免的高热应力。有哪些有效的PCB散热技术和防止PCB温升的方法？我们将在下面更详细地回答这些问题。

为什么监测 PCB 温度很重要？

监测 PCB 温度至关重要，因为高温会改变 PCB 的结构并降低其性能或导致其损坏。

PCB 温度测量也很关键，因为高温导致的问题不会局限于局部。它们会迅速扩散到 PCB 的其他组件，并导致一连串的故障和损坏。

PCB 过热会导致以下类型的损坏：

• 结构完整性丧失： 过热会损坏 PCB 的完整性。 PCB 的各层对温度波动非常敏感，当它们变得太热或太冷时，它们会膨胀和收缩。过热会导致不同 PCB 层的长度、宽度和厚度发生翘曲。
• 线路中断： 过热也会导致电路损坏。线路过热时会膨胀并改变形状。一旦发生这种情况，电路就会容易受到频移、失真和直接损耗的影响。它们的导体阻抗也可以从其标准值 50 欧姆偏移。尤其是毫米波电路和微波电路，它们具有微小而精密的组件，如果它们在高温下膨胀和变形，很容易受到损坏。
• 材料膨胀率不相容： 不同材料以不同速率膨胀的事实加剧了上述不利影响。 PCB 有两种基本类型的层：介电层和导电金属层。因为它们包含不同的材料，它们对热的反应不同而膨胀。因此，当不同类型的层分开时，过热的 PCB 可能会遭受进一步的损坏。
• 氧化： PCB组件的氧化也是高温下的一个问题。如果 PCB 中暴露的辩证材料没有保护性层压涂层，它就没有抗氧化保护。在这种情况下，材料在暴露于高温后可能会生锈。通常会导致传输线损耗和更高的损耗因数。

如何测量 PCB 温度

在测量 PCB 温度之前，必须确定 PCB 中的主要热源（通常是微控制器或微处理器）以及定位温度传感器。

还需要找到通常连接到热源基板的接地 (GND) 引脚。 PCB 中产生的大部分热量通过这些 GND 引脚转移到温度传感器。由于引脚连接到基板，因此它们在温度传感器和热源之间的 PCB 任何组件中具有最小的热阻。

获得这些信息后，就可以开始温度监测了。 PCB温度测量通常涉及三个不同的步骤：

1. 在温度传感器和热源之间放置一个接地层。
2. 将每个温度传感器的 GND 引脚连接到热源的接地层。
3. 确保温度传感器和热源在 PCB 上保持相互靠近。

按照这些步骤，您可以准确、准确地测量主要热源的温度，从而测量整个 PCB 的温度。

PCB 可以承受的最高温度是多少？

PCB 可以承受多少热量取决于其组成的材料。具有最佳热性能的材料可以可靠地抵抗高温的影响，而一些材料在高温下的可靠性较差。称为玻璃化转变温度 (TG) 的指标有助于表明这种阻力。例如，FR-4 的 TG 约为 135 摄氏度。

如果 PCB 能够承受 150 摄氏度的温度限制，它们通常被定义为高温 PCB。一些高温 PCB 可能能够承受更高的热量，但由耐热性较低的材料制造的电路板只能在低得多的温度下安全运行。高温 PCB 在汽车和工业应用等应用中变得越来越普遍，极端温度是工作环境的一部分。

PCB 发热的常见原因

1。元器件故障导致耗散

PCB 中高热量的一个常见原因是 PCB 中的一个组件发生故障并消散，无法产生其通常产生的电量。发生这种情况时，周围的组件必须产生更多的功率来进行补偿。产生更多的电力会导致过热的风险。

2。通孔干涉

通孔元件和散热片元件是PCB中提供电源的元件。它们产生热量并将其散发到空气中。如果散热器焊接不正确，或者 PCB 的不同组件干扰通孔，其他组件将产生比平常更多的热量来补偿。这种情况也会导致过热的风险。

3。表面贴装设备距离

表面贴装器件 (SMD) 以与通孔组件相同的方式连接到 PCB。它们允许电流更顺畅地流过通孔和散热器组件。但是通孔元件和 SMD 必须彼此之间保持正确的距离。如果它们离得太远，水流就会走得更远。电流传播所需的额外时间可能会导致接收组件保持冷却时间过长。发生这种情况时，其他组件可能会过热以进行补偿。

4。高频电路

在使用高频电路的应用中特别容易出现高温。原因是发电越多自然会产生更多的热量。

例如，射频电路代表了 PCB 工程中一个快速增长的领域。这些电路非常复杂，但有许多有用的应用，从医疗和工业产品的无线安全到智能手机。这些高频电路往往会产生大量热量，因此这些类型的 PCB 需要特殊的设计技术。

5。无铅焊料

整体而言，PCB行业正朝着限制有害物质（RoHS）的方向发展。 RoHS PCB使用无铅焊料，无铅焊料需要高温才能自由流动。

如何防止 PCB 出现高温

正如我们所见，防止 PCB 温升至关重要。但是如何减少 PCB 中的热量呢？工程师可以采用几种不同的 PCB 散热技术：

1。散热器

PCB 基本上是一个发热工厂，因为它包含所有发热组件。 PCB 需要某种方式来消散所有的热能。通常，答案涉及散热器。散热器可以安全地散热，因此不会积聚并损坏电路板。

2。粉丝

大多数电子设备都包含用于冷却的风扇，这些风扇的部分目的是帮助冷却 PCB。冷却风扇将电子设备的热量散发出去，同时让冷空气进入，有助于防止过热并延长 PCB 的使用寿命和性能。

3。考虑材料和组件

选择耐热材料是减少 PCB 热量的最有效策略之一。例如，由厚铜板构成的重铜 PCB 因其耐用性和耐高温能力而成为绝佳选择。与标准 PCB 相比，它们可以处理更高水平的电流、更长时间地抵抗更高的温度并提供更坚固的连接点。由于这些原因，它们在汽车、航空、重型机械和电源转换器应用以及其他重型环境中特别有用。

许多 PCB 含有 FR-4，虽然它可用作阻燃剂，但不能耐受极高的温度。知道 PCB 的结构中含有 FR-4，工程师可以设计出不会产生超过材料所能承受的热量的电路。

射频电路中使用的射频材料和聚酰胺等材料也对高温敏感。聚四氟乙烯（PTFE）在射频板中极为常见，但在钻孔的高温下会出现污迹，而且污迹很难去除。这些材料在 PCB 中不像 FR-4 那样常见，但如果工程师也在使用这些材料，他们在设计中应谨慎行事。强烈建议在这些情况下使用高温层压板。

4。增加板厚和宽度

在 PCB 中，较厚的板往往比较薄的板导热效率低。它们需要更多功率才能达到高温，因此通过正确的工程设计，它们可以帮助降低过热、翘曲和破坏的风险。

5。应用层压板

应用层压板是防止高温损坏的另一种方法。高温PCB层压板可以通过为PCB的组件提供热保护来防止过热。

高温层压板应具备以下防护性能：

• 玻璃化转变温度 (TG)：玻璃化转变温度是指聚合物在热力学上从刚性转变为柔软的温度。高 TG PCB 提供卓越的保护。
• 分层时间：高温会使 PCB 层压板随着时间的推移而分层。最好的层压板在高温下需要很长时间才能分层。
• 吸湿：PCB 层压板应具有可靠的保护性吸湿能力。如果 PCB 将在实验室等空气受控环境中运行，那么吸湿性可能不是首要任务。但是，如果 PCB 将在可能暴露于各种元素的环境中运行，则足够的吸湿能力至关重要。
• 分解温度 (TD)：分解温度是指层压板因分解而损失 5% 质量的温度。高分解温度可提供卓越的保护。
• Z轴膨胀：Z轴膨胀是指材料沿z轴的膨胀量占热膨胀系数的百分比。较低的 z 轴扩展也提供了卓越的保护。

6。对齐 CTE

热膨胀系数 (CTE) 衡量材料在暴露于高温时膨胀的程度。在 PCB 设计中，理想的介电层具有与铜层相似的 CTE。这样，如果层扩展，它们会以统一的方式扩展，从而将损坏降至最低。

在多层堆叠中，如果 CTE 未对齐，层将以完全不同的速率扩展，这可能导致翘曲和破坏。如果在 PCB 组装过程中出现这种不均匀膨胀，错位也会导致钻孔出现严重问题。

选择 CTE 较低的 PCB 材料有助于防止过热。例如，用编织玻璃或微玻璃纤维填充的 PTFE 具有优异的电气特性，但它也具有高 CTE。因此，当热韧性是重中之重时，这种材料是一个糟糕的选择。另一方面，陶瓷填充的聚四氟乙烯具有较低的CTE，在高温下的性能要好得多，但在电学特性上会损失一些。

7。保持足够的间距

确定 PCB 上的元件间距可能是一个棘手的过程。当电路板组件靠得太近时，可能会导致串扰——也就是说，不同的组件可能会开始以不希望的方式相互交互。这些不需要的相互作用会导致一种称为趋肤效应的东西。当集肤效应发生时，走线电阻增加，导致电阻损耗并增加电路热量。集肤效应在高频 PCB 中尤为常见，因此工程师必须特别注意元件间距，以防止电路板过热。

8。正确集成热管

PCB中的热管也可以帮助散热。管道中的液体可以吸收热量，防止其损坏电路板的组件。

9。最大化 RTI 和 MOT

相对热指数（RTI）和最大工作温度（MOT）是工程师在PCB设计中应注意的两个相关测量指标。

RTI 表示材料在不改变其特性或降低其性能的情况下可以处理的最高温度。 MOT 是指特定电路板配置可以承受的最高温度，而不会改变其特性或降低其性能。工程师在设计 PCB 时应牢记这两种测量方法，并根据这些指标选择具有强大耐热性的材料和电路元件。

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