標(biāo)題: 提高PCB設(shè)備可靠性的技術(shù)措施 [打印本頁(yè)]
作者: meilins 時(shí)間: 2015-9-29 02:46
標(biāo)題: 提高PCB設(shè)備可靠性的技術(shù)措施
提高PCB設(shè)備可靠性的技術(shù)措施：方案選擇、電路設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選用、制作工藝等多方面著手，具體措施如下： （1）簡(jiǎn)化方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)時(shí)，在確保設(shè)備滿足技術(shù)、性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使每個(gè)部件都成為最簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。當(dāng)今世界流行的模塊化設(shè)計(jì)方法是提 高設(shè)備可靠性的有效措施。塊功能相對(duì)單一，系統(tǒng)由模塊組成，可以減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。國(guó)內(nèi)外大量事實(shí)已證明了這一點(diǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)采用 模塊化設(shè)計(jì)方法。
（2）采用模塊和標(biāo)準(zhǔn)部件 模塊和標(biāo)準(zhǔn)部件是經(jīng)過大量試驗(yàn)和廣泛使用后證明為高可靠性的產(chǎn)品，因而能充分消除設(shè)備的缺陷和隱患，也為出現(xiàn)問題之后的更換和修理帶來了方便。采用模塊和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品不僅能有效地提高設(shè)備的可靠性，而且能大大縮短研制周期，為設(shè)備的迅速改型與列裝提供極有利的條件。
（3）提高集成度 選用各種功能強(qiáng)、集成度高的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，盡量減少元器件的數(shù)量。元器件越少，產(chǎn)生隱患的點(diǎn)也越少。這樣，不僅能提高設(shè)備的可靠性，而且。能縮短研制、開發(fā)周期。
（4）降額設(shè)計(jì) 降額設(shè)計(jì)是指元器件在低于其額定應(yīng)力的條件下工作，是降低元器件失效率的有效方法，因此，設(shè)汁時(shí)在確保技術(shù)性能指標(biāo)的前提下，對(duì)元器件的工作電壓范圍、溫度特性、電特性參數(shù)等都采取降額使用的方法，從而降低元器件在各種應(yīng)力條件下的失效率。
降額設(shè)計(jì)，不同的元器件所要考慮的因素是不一樣的：有的是電壓范圍，有的是電流大小，有的是溫度，有的是頻率，有的是振動(dòng)等等。一般情況下，對(duì)電容的耐壓、頻率、溫度特性，電阻的功率，電感的電流及頻率特性，二極管、三極管、可控硅、運(yùn)算放大器、驅(qū)動(dòng)器、門電路等器件的結(jié)電流、結(jié)溫或扇出系數(shù)，電源的開關(guān)和主供電源線纜的耐電壓/電流和耐溫性能，信號(hào)線纜的頻率特性，還有散熱器、接插件、模塊電源等器件的使用，要求進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。
（5）選擇優(yōu)質(zhì)器件 元器件是設(shè)備的基本組成單元，其質(zhì)量的好壞將直接影響到設(shè)備的可靠性。軍用通信設(shè)備應(yīng)盡量采用工業(yè)級(jí)以上產(chǎn)品，最好是軍品，并在上機(jī)前嚴(yán)格進(jìn)行老化篩選，剔除早期失效器件。
（6）充分利用軟件資源 由于軟件編程的靈活性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分利用軟件資源。目前軟件的調(diào)試手段和工具相對(duì)較多，對(duì)故障和設(shè)計(jì)問題容易定位，解決周期相對(duì)較短。充分利用軟件資源是提高可靠性的一個(gè)重要方法。
（7）結(jié)構(gòu)可靠、工藝成熟、先進(jìn) 電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少接插件、金屬化孔的數(shù)量，電路器件和芯片盡量采用直接在印制板上焊接的方法，選用表面貼裝器件，采用表面貼裝技術(shù)，以避免接觸不良，確保設(shè)備的可靠性。
（8）熱設(shè)計(jì) 過高的溫度是引起設(shè)備性能和可靠性降低的重要因素之一，為此應(yīng)采取熱防護(hù)措施控制和降低設(shè)備工作時(shí)的溫升，保證設(shè)定良好的散熱，提高設(shè)備的熱可靠性。過低的溫度，也會(huì)引起設(shè)備性能和可靠性降低，有的元器件在環(huán)境溫度太低時(shí)不能正常工作。所以在低溫環(huán)境中使用的設(shè)備，也要進(jìn)行低溫測(cè)試。在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮設(shè)備工作的溫度條件和環(huán)境。
Calculation Corner對(duì)平行板齒狀散熱器的熱阻的估算
Robert E. Simons, Associate Editor, IBM Corporation
如本欄目先前提到的，電子芯片功率不斷增加的趨勢(shì)使空氣冷卻電子產(chǎn)品的方法越來越困難。因此越來越多的設(shè)備需要使用強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻散熱器來控制芯片的溫度。一種被廣泛使用的散熱器就是平行板結(jié)構(gòu)散熱器，如圖1所示。
圖1 平行板齒狀散熱器結(jié)構(gòu)圖
為了選擇合適的散熱器，熱設(shè)計(jì)首先要確定散熱器的最大設(shè)計(jì)熱阻。要得到這一數(shù)值必須知道芯片的最大殼溫，Tcase,芯片的熱功耗，Pmod,以及芯片與散熱器的接觸熱阻，Rint。散熱器底面的最高溫度Tbase,可由以下公式給出：
散熱器最大熱阻, Rmax, 由以下公式給出：
其中Tair-in, 是進(jìn)風(fēng)口的冷卻空氣溫度，此時(shí)，許多熱工程師開始從散熱器產(chǎn)品目錄（或者如今更多情況是在網(wǎng)上瀏覽）尋找大小適中，熱阻，Rhs, 低于規(guī)定最大熱阻，Rmax ，的散熱器。許多情況下，從結(jié)構(gòu)尺寸來估算各種平行板齒狀散熱器的熱阻Rhs有助于確定某種設(shè)計(jì)是否可行。本文余下的部分將主要提供用于這類計(jì)算的基本公式。熱阻的計(jì)算公式如下
其中h 是對(duì)流的熱傳遞系數(shù)。Abase 是散熱片之間底部裸露的表面積。Nfin 是散熱片齒數(shù)。
fin 是散熱片的功效。Afin 是每片散熱片包括的兩個(gè)側(cè)面的面積。 為了進(jìn)一步計(jì)算，有必要確定散熱器的最大體積，可由它的寬W,高H, 以及沿氣流方向的長(zhǎng)度L決定。同時(shí)還有必要定義散熱片的厚度tfin 。通過這些參數(shù)，散熱片之間的溝道寬度可由以下公式得出：
底部裸露的總面積計(jì)算公式如下：
每個(gè)散熱片的對(duì)流換熱面積為：
此時(shí)需定義流速（平均速度）V, 或流量G。如用流量，相應(yīng)的板間空氣速度為：
要確定作用于散熱器上的對(duì)流換熱系數(shù)參照相關(guān)的Teertstra et al公式 。相關(guān)參數(shù)有Nusselt 數(shù), Nu, Reynolds 數(shù), Re, 和Prandtl 數(shù), Pr。 等式如下：
Prandtl 數(shù)的計(jì)算公式如下：
其中 
是空氣的動(dòng)力粘度。cp 是常壓下的空氣比熱。k 是空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。公式(8)中用到的Reynolds數(shù)是矩形流道的Reynolds數(shù)。定義為： 其中 
是空氣密度。公式(8)幾乎覆蓋了層流的全部范圍。作者通過對(duì)大范圍的Reynolds修正數(shù)(0.26 < Reb< 175)的數(shù)字結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以及與一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了公式(8)的有效性。使用由公式(8)得出的Nusselt數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)就可由以下公式算出： 這里kfin是散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)，散熱片功效的計(jì)算公式為：
其中tanh為雙曲正切函數(shù)，m由以下公式給出：
用這些等式就可以估算出散熱器的散熱性能，即從散熱片底部到進(jìn)風(fēng)口空氣之間的熱阻。應(yīng)該注意到在求Nusselt數(shù)的關(guān)系式中包含了空氣流過散熱片時(shí)溫度不斷升高所帶來的影響。要獲得總的熱阻Rtot還要加上散熱器基片的傳導(dǎo)熱阻。因此如果通過底座的熱流均衡，總熱阻Rtot 就可由以下公式得到：
為了理解這些等式，我們來估算一下50 x 50 mm 鋁制散熱器的熱阻。分別在恒定流速及恒定流量的條件下，研究散熱片高度及齒數(shù)對(duì)熱阻的影響，如圖2和圖3所示。兩者都表明通過增加齒高和齒數(shù)來減小散熱器熱阻是有限的。當(dāng)然，要確定在某一設(shè)備中散熱器的實(shí)際工作情況就必須知道流過散熱器的空氣速度或流量。要得到它們就需要估計(jì)散熱器的壓降特性以使其適合相應(yīng)的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)，這是我們?cè)诮窈蟮奈恼轮幸懻摰恼n題。
圖2 在氣流速度為2.5 米/秒(492 fpm)的條件下，散熱器齒高和齒數(shù)與熱阻的關(guān)系
圖3 在氣體流量為0.0024 立方米/秒(5 CFM)的條件下，散熱器齒高和齒數(shù)與熱阻的關(guān)系。
參考文獻(xiàn)
1. Teertstra, P., Yovanovich, M.M., and Culham, J.R., "平行板齒狀散熱器的強(qiáng)制對(duì)流解析模型" 第15屆IEEE Semi-Therm研討會(huì)會(huì)議記錄, pp. 34-41, 1999.
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