技術資訊 I 多層 PCB 的熱應力分析

本文要點

多層 PCB 有很多優點，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，用于確定多層 PCB 中的熱應力點。

熱應力分析結果有助于 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) 存在于所有電子設備中，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，用于增加設備的功能。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，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，以便更好地了解對其進行熱應力分析的需求。

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什么是多層 PCB？

為了滿足現代電子設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，功能也更加復雜，多層 PCB 相對于單層 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：

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，因此適用于復雜系統中的高容量和高速應用。

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。

多層 PCB 的可靠性很高。

多層 PCB 是柔性的，可用于需要彎曲的電路結構中。

多層 PCB 可承受高溫和高壓，可用于對電路耐用特征要求較高的設備。

在多層 PCB 中很容易進行受控阻抗布線。

多層 PCB 中的電源和接地層有助于實現 EMI 屏蔽。

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多層 PCB 中的熱應力

制作多層 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 (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，并造成電路運行、可靠性和壽命出現嚴重問題。

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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。然后根據熱應力分析結果修改多層 PCB 的物理 layout，這有助于減少多層 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，有助于有效減少多層 PCB 中的溫度極值和應力極值，還有助于提高多層 PCB 的熱可靠性、物理板的穩健性和使用壽命。