多层 PCB 的热应力分析

本文要点：

· 多层 PCB 有很多优点，但是，多层结构也会给电路板带来热应力问题。
· 热应力分析是一种温度和应力分析方法，用于确定多层 PCB 中的热应力点。
· 热应力分析结果有助于 PCB 设计人员构建可靠、稳健和经过优化的多层 PCB。

印刷电路板 (PCB) 存在于所有电子设备中，是确保设备正常运行的核心元件。每块 PCB 上都载有电子设备的一个重要子系统，用于增加设备的功能。因此，电子设备的功能越多，就需要越多的 PCB 来保证正常运行。为了在设备中整合更多的 PCB，并满足电压要求，PCB 通常是分层的。虽然多层电路板有一些优点，但多层结构会对电路板造成热应力。为此必须对多层电路板进行热应力分析，以确定受应力影响的区域并防止热变形。

我们先来了解一下多层 PCB，以便更好地了解对其进行热应力分析的需求。

1. 什么是多层 PCB？

为了满足现代电子设备的空间和重量限制，必须采用多层 PCB。顾名思义，多层 PCB 由多层材料层压在一起，最终形成一块电路板。多层 PCB 在制造时利用了高压和高温条件，以便让各层之间紧密粘合，避免电路板内出现气泡。

多层 PCB 的用途和优点

随着现代电子产品尺寸变得更小，功能也更加复杂，多层 PCB 相对于单层 PCB 有许多明显的优势，尤其是在以下应用领域：

数据存储、卫星系统、移动通信、信号传输、工业控制、太空装备、核探测系统

在这些应用中使用多层 PCB 的优点包括：

1. 在电路板面积相同的前提下，多层 PCB 比单层或双面 PCB 处理的电路更多。多层 PCB 的组装密度高，因此适用于复杂系统中的高容量和高速应用。
2. 多层 PCB 体积小、重量轻，因此非常适合空间和重量受限的设备。
3. 多层 PCB 的可靠性很高。
4. 多层 PCB 是柔性的，可用于需要弯曲的电路结构中。
5. 多层 PCB 可承受高温和高压，可用于对电路耐用特征要求较高的设备。
6. 在多层 PCB 中很容易进行受控阻抗布线。
7. 多层 PCB 中的电源和接地层有助于实现 EMI 屏蔽。

2. 多层 PCB 中的热应力

制作多层 PCB 时，半固化片和核心材料层堆叠在一起。导体被封装在树脂材料中，各层则用粘合剂粘合起来。多层 PCB 涉及的所有材料都有不同的热膨胀和收缩率，即热膨胀系数 (CTE)。CTE 差异和温度升高导致了多层 PCB 的温度场和热应力场。高热应力会导致 PCB 变形，并造成电路运行、可靠性和寿命出现严重问题。

热应力分析可以检测电路板中受应力影响的区域

3. 对多层 PCB 进行热应力分析的重要性

热应力分析是指在多层 PCB 上进行温度和应力耦合现场分析，使用热应力分析法来分析高温和低温循环对电路器件和运行的影响。然后根据热应力分析结果修改多层 PCB 的物理 layout，这有助于减少多层 PCB 的温度场和热应力场。

热应力分析在很多方面都有帮助，包括：

1. 根据多层 PCB 焊点上的温度应力和剪切力来摆放器件。
2. 预测多层 PCB 中出现分层和微裂纹的几率。
3. 预测多层 PCB 是否会发生变形。

在设计经过优化的多层 PCB 时，热应力分析结果非常有用，有助于有效减少多层 PCB 中的温度极值和应力极值，还有助于提高多层 PCB 的热可靠性、物理板的稳健性和使用寿命。