PCB電路板熱應力分析
- 多層 PCB 有許多優點，但是，多層結構也會給電路板帶來熱應力問題。
- 熱應力分析是一種溫度和應力分析方法，用於確定多層 PCB 中的熱應力點。
- 熱應力分析結果有助於 PCB 設計人員構建可靠、穩健和經過優化的多層 PCB。
印刷電路板 (PCB) 存在於所有電子設備中，是確保設備正常運行的核心元件。每塊 PCB 上都載有電子設備的一個重要子系統，用於增加設備的功能。因此，電子設備的功能越多，就需要越多的 PCB 來保證正常運行。為了在設備中整合更多的 PCB，並滿足電壓要求，PCB 通常是分層的。雖然多層電路板有一些優點，但多層結構會對電路板造成熱應力。為此必須對多層電路板進行熱應力分析，以確定受應力影響的區域並防止熱變形。
何為多層印刷電路板？
我們先來了解一下多層 PCB，以便更好地了解對其進行熱應力分析的需求。
為了滿足現代電子設備的空間和重量限制，必須採用多層 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 在製造時利用了高壓和高溫條件，以便讓各層之間緊密粘合，避免電路板內出現氣泡。
多層PCB的用途和優點
隨著現代電子產品尺寸變得更小，功能也更加複雜，多層 PCB 相較於單層 PCB 有許多明顯的優勢，尤其是在以下應用領域：數據存儲、衛星系統、移動通信、信號傳輸、工業控制、太空裝備、核探測系統。
在這些應用中使用多層 PCB 的優點包括：
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，因此適用於複雜系統中的高容量和高速應用。
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備。
3.多層 PCB 的可靠性很高。
4.多層 PCB 是柔性的，可用於需要彎曲的電路結構中。
5.多層 PCB 可承受高溫和高壓，可用於對電路耐用特徵要求較高的設備。
6.在多層 PCB 中很容易進行受控阻抗布線。
7.多層 PCB 中的電源和接地層有助於實現 EMI 屏蔽。
多層 PCB 中的熱應力
製作多層 PCB 時，半固化片和核心材料層堆疊在一起。導體被封裝在樹脂材料中，各層則用黏合劑粘合起來。多層 PCB 涉及的所有材料都有不同的熱膨脹和收縮率，即熱膨脹係數 (CTE)。CTE 差異和溫度升高導致了多層 PCB 的溫度場和熱應力場。高熱應力會導致 PCB 變形，並造成電路運行、可靠性和壽命出現嚴重問題。
對多層 PCB 進行熱應力分析的重要性
熱應力分析是指在多層 PCB 上進行溫度和應力耦合現場分析，使用熱應力分析法來分析高溫和低溫循環對電路器件和運行的影響。然後根據熱應力分析結果修改多層 PCB 的物理布局，這有助於減少多層 PCB 的溫度場和熱應力場。
熱應力分析在很多方面都有幫助，包括：
- 根據多層 PCB 焊點上的溫度應力和剪切力來擺放器件。
- 預測多層 PCB 中出現分層和微裂紋的幾率。
- 預測多層 PCB 是否會發生變形。
在設計經過優化的多層 PCB 時，熱應力分析結果非常有用，有助於有效減少多層 PCB 中的溫度極值和應力極值，還有助於提高多層 PCB 的熱可靠性、物理板的穩健性和使用壽命。
Cadence Celsius Thermal Solver工具提供的熱應力分析可以幫助我們找到設計中可能會導致電路故障的過熱區域，從而提高多層 PCB 的穩定性。
不僅結合有限元分析（FEA）與計算流體動力學（CFD），更與用於 PCB/IC 封裝的 Sigrity 技術相集成，如備受大家熟知青睞的 Sigrity PowerDC 演變為 Celsius PowerDC，助力設計團隊獲取更準確的電熱仿真結果。
