某型產(chǎn)品電路板熱可靠性故障理論與試驗(yàn)分析

逢宇翔

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210001）

伴隨電子技術(shù)的飛速發(fā)展[1-2]，印制電路板上的功能日益強(qiáng)大，模塊化、信息化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)使得印制電路板在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，電子元器件以及電子芯片的小型化、密集化發(fā)展，功耗的不斷提升，復(fù)雜的工作環(huán)境以及溫度變化，對(duì)印制電路板的熱可靠性提出了越發(fā)苛刻的要求[3]。

在某型雷達(dá)裝備的科研生產(chǎn)和使用維護(hù)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)某分系統(tǒng)的一個(gè)模塊經(jīng)常因器件溫度過(guò)高失效從而發(fā)生故障[4]。為了從設(shè)計(jì)層面分析原因，排除故障，需要針對(duì)該模塊的PCB板進(jìn)行熱可靠性的理論分析，建立有限元模型，然后結(jié)合可靠性溫度試驗(yàn)，驗(yàn)證分析結(jié)果[5]。以此得出有效的印制電路板熱可靠性有限元分析方法，推廣并應(yīng)用到以后的印制電路板研制過(guò)程中[6]。

通過(guò)對(duì)印制電路板的合理建模、仿真與分析，定位溫度較高的故障易發(fā)部位，以此有針對(duì)性地提出解決PCB板局部溫度過(guò)高的優(yōu)化散熱方案。

1 印制電路板的熱可靠性分析與建模

印制電路板的組成復(fù)雜，包含了線路、過(guò)孔、電子芯片、電阻電容、焊點(diǎn)等。針對(duì)印制電路板的熱可靠性分析首先需要對(duì)其各個(gè)組成部分進(jìn)行熱可靠性的理論分析和建模[7]。

1.1 基 板

印制電路板基板是電路構(gòu)成的基礎(chǔ)，它支撐著電子器件并在其上進(jìn)行相應(yīng)的電路連接[8]。PCB基板的主要材料是環(huán)氧樹脂，厚度1.6 mm，導(dǎo)熱率0.3W/（m·℃）。

1.2 線 路

印制電路板線路的主要材料是銅箔，厚度0.1 mm，導(dǎo)熱率400 W/（m·℃）。顯然，銅箔線路的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于基板。我們對(duì)印制電路基板及線路建立有限元模型，圖1為PCB板上分別有兩個(gè)不同熱源模塊在室溫下的溫度仿真模型，圖2在圖1的基礎(chǔ)上增加了銅箔線路，對(duì)比驗(yàn)證了在針對(duì)熱可靠性的有限元分析中，銅箔線路的分布對(duì)PCB傳熱有重要的引導(dǎo)作用，因此在建模時(shí)不能因?yàn)殂~箔線路的尺寸較小而忽略對(duì)其的分析考慮，應(yīng)將其納入有限元熱分析模型[9]。

圖1 不含銅箔線路的仿真溫度云圖

圖2 含銅箔電路的仿真溫度云圖

1.3 過(guò) 孔

印制電路板過(guò)孔又稱金屬化孔，其主要材料是鍍銅[10-13]。過(guò)孔有利于元器件向背面或其他層散熱。根據(jù)文獻(xiàn)[14]《電子電路PCB的散熱與分析》中的論述，在45℃下對(duì)印制電路板增加數(shù)個(gè)以至數(shù)十個(gè)熱過(guò)孔，對(duì)其上電子芯片的溫度有略微的降低。考慮到實(shí)際目標(biāo)PCB板的過(guò)孔直徑較小，且數(shù)量較少，建模過(guò)程中忽略過(guò)孔的影響，并在試驗(yàn)后對(duì)比分析結(jié)果考慮其影響。

1.4 電子芯片

1.4.1 雙列直插封裝芯片

雙列直插封裝又稱為DIP封裝。采用雙列直插封裝的芯片體積相對(duì)較大，且通常為中小型集成電路，熱量密度較小，因此在熱可靠性有限元建模時(shí)不予考慮。

1.4.2 TQFP封裝芯片

對(duì)于印制電路板上的薄四方扁平封裝芯片（TQFP），如FPGA和CPLD芯片等。其功率較大，熱量密度大。然而該類芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引腳數(shù)量較多，引腳間距較小，給建立模型和仿真運(yùn)算帶來(lái)了很大的難度。考慮到芯片內(nèi)外熱阻較小，內(nèi)外溫度相差只有幾度，在應(yīng)用于有限元熱可靠性分析時(shí)，可將芯片模型簡(jiǎn)化為體積相同、導(dǎo)熱率相同的實(shí)心塊體，同時(shí)將引腳合并得到簡(jiǎn)化模型。根據(jù)相同的原理，可以根據(jù)需要將MOS管等器件按相同方式進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化。通過(guò)對(duì)MOS管建立的精確模型和簡(jiǎn)化模型的分析比較，可以發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化模型的效果與精確模型基本相同。

1.5 電阻、電容和焊點(diǎn)

電阻和電容的功耗較低，在針對(duì)PCB板熱可靠性建模時(shí)可以忽略。而在目標(biāo)PCB的失效故障中，未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)在溫度變化下引起的失效，故而在針對(duì)目標(biāo)印制電路板建模時(shí)不考慮焊點(diǎn)高低溫下應(yīng)力應(yīng)變的影響。

1.6 建立目標(biāo)PCB板的有限元模型

ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)[15]。運(yùn)用ANSYS軟件可進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力以及接觸熱阻等問(wèn)題的分析求解[16]。

根據(jù)上述內(nèi)容建立目標(biāo)印制電路板的熱可靠性有限元分析模型，各功耗元器件的基本參數(shù)如表1所示[17]。

根據(jù)印制電路板上各元器件的封裝尺寸和材料熱性能，建立目標(biāo)PCB板有限元網(wǎng)格模型[18]如圖3所示。

表1 電路板上元器件基本參數(shù)

圖3 目標(biāo)PCB有限元模型

分別模擬計(jì)算在環(huán)境溫度為-10℃、20℃和50℃時(shí)PCB板各目標(biāo)芯片的溫度，如圖4、5、6所示。

圖4 -10℃電路仿真溫度云圖

顯然序號(hào)7的芯片溫度最高，而該芯片正是目標(biāo)印制電路板故障易發(fā)點(diǎn)。下面的試驗(yàn)以及分析也將重點(diǎn)圍繞該芯片進(jìn)行測(cè)量和分析。

2 高低溫環(huán)境試驗(yàn)與分析

在高低溫快速溫變?cè)囼?yàn)箱中對(duì)目標(biāo)模塊進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)[19]。

圖5 20℃電路仿真溫度云圖

圖6 50℃電路仿真云圖

將目標(biāo)PCB板的序號(hào)7芯片作為測(cè)試點(diǎn)，分別在低溫-10℃、常溫20℃和高溫50℃時(shí)，對(duì)其溫度進(jìn)行測(cè)試并記錄如圖7所示。

圖7 測(cè)試點(diǎn)溫度與仿真模擬對(duì)比

比較有限元模型仿真所得溫度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果誤差不大，產(chǎn)生誤差的原因是在建立熱可靠性有限元模型的過(guò)程中做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。對(duì)比結(jié)果表明可以作為研究印制電路板熱可靠性的分析手段[20]。通過(guò)對(duì)目標(biāo)印制板熱可靠性的有限元模擬模擬，能夠比較真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際工作情況下PCB板的溫度狀態(tài)。

3 提升印制電路板熱可靠性措施

目前，針對(duì)PCB板局部溫度過(guò)高的改進(jìn)方法有：1）優(yōu)化PCB布局，將產(chǎn)生熱量較高的芯片布置在靠近PCB板邊緣的位置和上風(fēng)口；2）增加風(fēng)冷、水冷等強(qiáng)制冷卻手段；3）在局部高溫位置增加散熱板、散熱片等。考慮到目標(biāo)PCB板已經(jīng)定型量產(chǎn)，如果改變PCB板整體布局，還需要重新論證其性能和可靠性，代價(jià)較大，所以不予采用。而該印制電路板所處位置狹窄密閉，無(wú)法對(duì)其增加風(fēng)冷、水冷等設(shè)備。綜合考慮，采用在目標(biāo)PCB板溫度較高的局部位置，增加尺寸與芯片相仿的散熱翅片，可行性和經(jīng)濟(jì)性較高。下面將對(duì)添加散熱翅片后的溫度進(jìn)行有限元模擬與模擬。

選用的散熱翅片[21]地面尺寸與芯片尺寸一致，為40 mm×40 mm，底面厚度3 mm，翅片數(shù)量為10，高度8 mm，加裝散熱翅片后的有限元熱模擬如圖8所示。

圖8 增加散熱片后50℃熱模擬云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，序號(hào)7芯片在50℃環(huán)境溫度下工作的最高溫度為120.91℃，較之前的131.6℃有明顯的下降。再將目標(biāo)PCB板放入高低溫試驗(yàn)箱，測(cè)得其在50℃環(huán)境下工作時(shí)的溫度為118.2℃。根據(jù)電子元器件熱可靠性的10℃法則[22-23]：電子元器件的熱可靠性隨著溫度的降低呈指數(shù)增長(zhǎng)，即每降低10℃溫度，元器件的使用壽命增加一倍，故障率減少一半。

將之前生產(chǎn)使用的PCB板都做了增加此種散熱翅片的改進(jìn)措施，從后續(xù)的回饋過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)印制電路板的使用故障率大為降低。由此可見(jiàn)，增加散熱翅片是增加目標(biāo)印制電路板熱可靠性、降低熱失效故障率的最有效便捷的手段。

4 結(jié)論

文中針對(duì)實(shí)際科研生產(chǎn)和使用過(guò)程中某型產(chǎn)品模塊的故障率較高的問(wèn)題，進(jìn)行了印制電路板熱可靠性理論分析、建模和試驗(yàn)。首先根據(jù)電子元器件的封裝和熱特性，對(duì)目標(biāo)印制電路板進(jìn)行了有限元建模。然后對(duì)電路板熱量較為集中的芯片在高低溫循環(huán)試驗(yàn)中進(jìn)行了跟蹤測(cè)量，實(shí)際測(cè)得的溫度與有限元模型分析計(jì)算的溫度相符，誤差在接受范圍內(nèi)，表明了有限元模型建立的真實(shí)有效。接著針對(duì)PCB板上溫度較高的芯片采用了符合科研生產(chǎn)需求的降溫措施，即在目標(biāo)芯片上安裝散熱翅片。在隨后的高低溫試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)得芯片的溫度降低了10.69℃，且在實(shí)際使用中的故障率降低了50%。驗(yàn)證了降低印制電路板局部溫度的可行性和有效性。

文中的不足之處是只探討了最易引發(fā)元器件故障的環(huán)境因素（即溫度）對(duì)電路板可靠性的影響。在后續(xù)的工作中，還將在振動(dòng)和沖擊等環(huán)境機(jī)械應(yīng)力條件下，對(duì)該模塊進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)研究。期望最終能達(dá)到的目標(biāo)是在電路板設(shè)計(jì)階段就完成對(duì)其可靠性的有限元理論分析，縮短“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)—再試驗(yàn)”的科研生產(chǎn)周期，將可靠性設(shè)計(jì)貫穿電路設(shè)計(jì)始終。