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熱循環(huán)PCB設(shè)計的熱力學(xué)分析
在具有大量計算能力的產(chǎn)品中，熱量始終是考慮因素，您需要消除熱量以使組件保持在安全溫度下。熱管理的另一個方面是檢查高溫下的熱膨脹，這會在PCB的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上施加壓力，尤其是在HDI制度下。例子包括小間距BGA和高縱橫比微通孔。
更多的電路板被推入HDI制度，其他電路板在運(yùn)行過程中可能會經(jīng)歷較大的溫度上升。僅僅達(dá)到高溫并不總是一個問題，可能導(dǎo)致故障的更危險的問題是反復(fù)循環(huán)。如果您可以使用功能強(qiáng)大的3D場求解器進(jìn)行CFD熱模擬，則可以確定電路板上的哪些結(jié)構(gòu)會達(dá)到無法接受的溫度并承受熱膨脹帶來的壓力
PCB的熱機(jī)械分析過程
由于熱膨脹在將要反復(fù)進(jìn)行熱循環(huán)的任何PCB中都非常重要，因此您需要確定電路板上的導(dǎo)體在循環(huán)期間將膨脹多少。當(dāng)將板加熱到高溫時，基板和導(dǎo)體會膨脹，但是它們可以以不同的速率膨脹。FR4基板比銅承受更大的膨脹，這會給導(dǎo)體造成壓力。板上的走線足夠厚，因此較不容易出現(xiàn)故障。真正的可靠性危險在于脆性的焊點(diǎn)和通孔，尤其是微通孔和未打孔的鍍通孔。
在FR4中，一旦板的溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，熱膨脹系數(shù)（CTE）就會增加。如果您的電路板要在高溫下運(yùn)行，并且希望保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，則始終極好使用高Tg層壓板。隨著板上所有元件的擴(kuò)展，應(yīng)力會累積并導(dǎo)致微小的裂紋在導(dǎo)體中傳播。在高溫和低溫之間反復(fù)循環(huán)之后，這些裂紋可能會融合，從而導(dǎo)致斷裂。更具延展性的材料（例如，添加了銦的焊料）在失效之前會經(jīng)歷更多的循環(huán)。加熱與熱膨脹之間的這種關(guān)系在熱力學(xué)分析中至關(guān)重要。
在重復(fù)的熱循環(huán)過程中模擬微裂紋的積累不是一個簡單的問題，而直接模擬它在隨機(jī)系統(tǒng)中是一個復(fù)雜的隨機(jī)游走問題。但是，如果您具有因熱循環(huán)而引起的微孔可靠性和焊點(diǎn)可靠性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則可以準(zhǔn)確估計可能導(dǎo)致斷裂的循環(huán)數(shù)。通常，當(dāng)極端溫度之間的差異較小時，電路板可以承受更多的循環(huán)。
電子設(shè)備的熱機(jī)械分析過程按以下順序進(jìn)行：
穩(wěn)態(tài)溫度計算：計算單板運(yùn)行時的穩(wěn)態(tài)溫度。這應(yīng)該包括所有冷卻風(fēng)扇和組件的運(yùn)行。
將溫度上升轉(zhuǎn)換為體積膨脹：一旦計算了電路板每個區(qū)域的溫度，就可以使用CTE值將其轉(zhuǎn)換為體積變化。
計算由于膨脹引起的各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)變：板上不同結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)變等于體積膨脹。對于在膨脹下受到機(jī)械應(yīng)力的通孔，通孔會承受一些額外的機(jī)械應(yīng)變。
然后，將您在系統(tǒng)中計算出的溫度變化乘以CTE值，即可確定熱應(yīng)變。對于導(dǎo)體上的總應(yīng)變，您需要考慮膨脹過程中應(yīng)變的確切結(jié)構(gòu)。
熱力學(xué)分析中的導(dǎo)體和通孔可靠性
在重復(fù)的熱循環(huán)下，表面層或內(nèi)層上的導(dǎo)體不易發(fā)生熱故障。相反，通孔在特定位置容易斷裂。通孔上熱機(jī)械應(yīng)力和斷裂的根本原因是銅導(dǎo)體和基板材料的CTE值不匹配。
銅的CTE值約為16 ppm / K，而FR4的CTE值沿厚度方向約為70 ppm / K。下圖顯示了膨脹的基板如何在通孔結(jié)構(gòu)上施加應(yīng)力。黃色箭頭表示施加到通孔的位置和方向應(yīng)力。
這是不同的通孔結(jié)構(gòu)在熱膨脹過程中容易失效的原因。請注意，通孔中的焊盤，焊盤和槍管可能會發(fā)生斷裂，但是已知某些特定位置非常容易斷裂
高和低長寬比電鍍通孔
高縱橫比的通孔最容易在通孔桶的中間附近破裂。發(fā)生這種情況的原因是，電鍍液通過毛細(xì)作用力被吸入通孔，并且當(dāng)長徑比大時，電鍍液會從中心附近的通孔針筒中耗盡。這意味著所形成的鍍層在通孔鏡筒中心附近更薄。較低深寬比的通孔可以更均勻地電鍍，這意味著通孔桶中心附近的電鍍厚度可與通孔末端附近的電鍍厚度相媲美。假設(shè)您的堆積是對稱的，那么人們會期望斷裂會稍微靠近頂部表層。
微孔
反復(fù)進(jìn)行熱循環(huán)或電路板極端膨脹后，微孔的頸部和底部最容易斷裂。頸部區(qū)域向內(nèi)彎曲，應(yīng)力可以集中在微孔過渡區(qū)域。在底部，疊層會拉動盲孔/埋孔之間的界面，再次產(chǎn)生破裂的風(fēng)險。下面顯示了一些顯微鏡圖像，顯示了兩個微孔底部的微孔破裂。
在板上確定了易受影響的結(jié)構(gòu)后，就可以確定哪些區(qū)域適合采用更激進(jìn)的熱管理解決方案。一些簡單的選擇（例如使用不同的基板或重新布置組件）可使溫度降低到足以使電路板承受反復(fù)的熱循環(huán)而不會發(fā)生故障。