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熱循環(huán)PCB設計的熱力學分析
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的關鍵結構上施加壓力，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，其他電路板在運行過程中可能會經(jīng)歷較大的溫度上升。僅僅達到高溫并不總是一個問題，可能導致故障的更危險的問題是反復循環(huán)。如果您可以使用功能強大的3D場求解器進行CFD熱模擬，則可以確定電路板上的哪些結構會達到無法接受的溫度并承受熱膨脹帶來的壓力
PCB的熱機械分析過程
由于熱膨脹在將要反復進行熱循環(huán)的任何PCB中都非常重要，因此您需要確定電路板上的導體在循環(huán)期間將膨脹多少。當將板加熱到高溫時，基板和導體會膨脹，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展，應力會累積并導致微小的裂紋在導體中傳播。在高溫和低溫之間反復循環(huán)之后，這些裂紋可能會融合，從而導致斷裂。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系在熱力學分析中至關重要。
在重復的熱循環(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系統(tǒng)中是一個復雜的隨機游走問題。但是，如果您具有因熱循環(huán)而引起的微孔可靠性和焊點可靠性的實驗數(shù)據(jù)，則可以準確估計可能導致斷裂的循環(huán)數(shù)。通常，當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)。
電子設備的熱機械分析過程按以下順序進行：
穩(wěn)態(tài)溫度計算：計算單板運行時的穩(wěn)態(tài)溫度。這應該包括所有冷卻風扇和組件的運行。
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構的應變：板上不同結構承受的應變等于體積膨脹。對于在膨脹下受到機械應力的通孔，通孔會承受一些額外的機械應變。
然后，將您在系統(tǒng)中計算出的溫度變化乘以CTE值，即可確定熱應變。對于導體上的總應變，您需要考慮膨脹過程中應變的確切結構。
熱力學分析中的導體和通孔可靠性
在重復的熱循環(huán)下，表面層或內(nèi)層上的導體不易發(fā)生熱故障。相反，通孔在特定位置容易斷裂。通孔上熱機械應力和斷裂的根本原因是銅導體和基板材料的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構上施加應力。黃色箭頭表示施加到通孔的位置和方向應力。
這是不同的通孔結構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，電鍍液通過毛細作用力被吸入通孔，并且當長徑比大時，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
反復進行熱循環(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構后，就可以確定哪些區(qū)域適合采用更激進的熱管理解決方案。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的熱循環(huán)而不會發(fā)生故障。