多層 PCB 的熱應(yīng)力分析

本文要點(diǎn)：

多層 PCB 有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，多層結(jié)構(gòu)也會(huì)給電路板帶來熱應(yīng)力問題。

熱應(yīng)力分析是一種溫度和應(yīng)力分析方法，用于確定多層 PCB 中的熱應(yīng)力點(diǎn)。

熱應(yīng)力分析結(jié)果有助于 PCB 設(shè)計(jì)人員構(gòu)建可靠、穩(wěn)健和經(jīng)過優(yōu)化的多層 PCB。

印刷電路板 (PCB) 存在于所有電子設(shè)備中，是確保設(shè)備正常運(yùn)行的核心元件。每塊 PCB 上都載有電子設(shè)備的一個(gè)重要子系統(tǒng)，用于增加設(shè)備的功能。因此，電子設(shè)備的功能越多，就需要越多的 PCB 來保證正常運(yùn)行。為了在設(shè)備中整合更多的 PCB，并滿足電壓要求，PCB 通常是分層的。雖然多層電路板有一些優(yōu)點(diǎn)，但多層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電路板造成熱應(yīng)力。為此必須對(duì)多層電路板進(jìn)行熱應(yīng)力分析，以確定受應(yīng)力影響的區(qū)域并防止熱變形。

我們先來了解一下多層 PCB，以便更好地了解對(duì)其進(jìn)行熱應(yīng)力分析的需求。

1. 什么是多層 PCB？

為了滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的空間和重量限制，必須采用多層 PCB。顧名思義，多層 PCB 由多層材料層壓在一起，最終形成一塊電路板。多層 PCB 在制造時(shí)利用了高壓和高溫條件，以便讓各層之間緊密粘合，避免電路板內(nèi)出現(xiàn)氣泡。

多層 PCB 的用途和優(yōu)點(diǎn)

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品尺寸變得更小，功能也更加復(fù)雜，多層 PCB 相對(duì)于單層 PCB 有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在以下應(yīng)用領(lǐng)域：

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動(dòng)通信、信號(hào)傳輸、工業(yè)控制、太空裝備、核探測(cè)系統(tǒng)

在這些應(yīng)用中使用多層 PCB 的優(yōu)點(diǎn)包括：

1. 在電路板面積相同的前提下，多層 PCB 比單層或雙面 PCB 處理的電路更多。多層 PCB 的組裝密度高，因此適用于復(fù)雜系統(tǒng)中的高容量和高速應(yīng)用。

2. 多層 PCB 體積小、重量輕，因此非常適合空間和重量受限的設(shè)備。

3. 多層 PCB 的可靠性很高。

4. 多層 PCB 是柔性的，可用于需要彎曲的電路結(jié)構(gòu)中。

5. 多層 PCB 可承受高溫和高壓，可用于對(duì)電路耐用特征要求較高的設(shè)備。

6. 在多層 PCB 中很容易進(jìn)行受控阻抗布線。

7. 多層 PCB 中的電源和接地層有助于實(shí)現(xiàn) EMI 屏蔽。

2. 多層 PCB 中的熱應(yīng)力

制作多層 PCB 時(shí)，半固化片和核心材料層堆疊在一起。導(dǎo)體被封裝在樹脂材料中，各層則用粘合劑粘合起來。多層 PCB 涉及的所有材料都有不同的熱膨脹和收縮率，即熱膨脹系數(shù) (CTE)。CTE 差異和溫度升高導(dǎo)致了多層 PCB 的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)。高熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致 PCB 變形，并造成電路運(yùn)行、可靠性和壽命出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

熱應(yīng)力分析可以檢測(cè)電路板中受應(yīng)力影響的區(qū)域

3. 對(duì)多層 PCB 進(jìn)行熱應(yīng)力分析的重要性

熱應(yīng)力分析是指在多層 PCB 上進(jìn)行溫度和應(yīng)力耦合現(xiàn)場(chǎng)分析，使用熱應(yīng)力分析法來分析高溫和低溫循環(huán)對(duì)電路器件和運(yùn)行的影響。然后根據(jù)熱應(yīng)力分析結(jié)果修改多層 PCB 的物理 layout，這有助于減少多層 PCB 的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)。

熱應(yīng)力分析在很多方面都有幫助，包括：

1. 根據(jù)多層 PCB 焊點(diǎn)上的溫度應(yīng)力和剪切力來擺放器件。
2. 預(yù)測(cè)多層 PCB 中出現(xiàn)分層和微裂紋的幾率。
3. 預(yù)測(cè)多層 PCB 是否會(huì)發(fā)生變形。

在設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化的多層 PCB 時(shí)，熱應(yīng)力分析結(jié)果非常有用，有助于有效減少多層 PCB 中的溫度極值和應(yīng)力極值，還有助于提高多層 PCB 的熱可靠性、物理板的穩(wěn)健性和使用壽命。

本文轉(zhuǎn)載自： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇