IPC-2221A-2003中文版-印制板设计通用标准 - 第64页

IPC-2221a-7-02 图7-2 相对热膨胀系数(CTE) ⽐较 IPC-2221A 2003年5月 54

压力、这样将使胶粘接剂(冷却的)从导通孔处

流走。这会在导通孔和散热片之间产生短路。

硅树脂粘胶片可以有效地粘接印制板和实心散

热片。硅树脂粘胶片的粘合完整性要靠待粘面

正确使用底漆。要小心防止硅树脂污染待焊接

或敷形涂装的表面。硅树脂粘胶片见4.2.2。

为减小最后粘合件的变形以及粘接固化过程

中组装元件的热应力和机械应力、宜选择低温

固化硅树脂胶。会受到损伤的元件宜在图上标

注、组装中需要加以保护。粘接工序完成后有

些元件需要手工装配。

7.3 传热技术

7.3.1 热膨胀系数(CTE)特性

应用表面组装

元件中、互连结构的CTE成为一个要考虑的重

要事项。表7-4计算出可靠性指数、这与元件

和基材的X和方向不同膨胀特性、焊点到中性

点(零应变点)的距离以及焊点高度有关。该指

数与焊点每周期总应变数有关。减小元件和印

制板组件CTE的相对差很重要。典型陶瓷材料

的CTE为5-7ppm/℃。图7-2给出了一些直接使

用的材料(尼龙、玻璃或环氧玻璃)和一些与印

制板绝缘材料一起使用的夹心基材的CTE值。

7.3.2 传热

因传热原因需要扩大与印制板

或与安在印制板上散热片接触面的元件、应与

工艺溶液兼容或受到保护。

一些传热介质应以在后续的组装操作中(如导

热脂、氮化硼、可能会在工艺操作中被破坏或

去除)不被破坏的方式组装。工艺溶液的夹带

也应避免。

7.3.3 热匹配

通孔组装玻璃元件和陶瓷表

面组装元件的热问题主要来自元件和印制板的

热膨胀不匹配。组装件如果受到热冲击、热循

环、能量循环和高温运行、这种不匹配会导致

焊接连接处开裂。

表7-3 印制板散热⽚组装选择

⽅法主要优点主要缺点考虑事项

铆接最牢固、无需固化或使用胶水板上需要铆接面和孔实用标准尺寸铆钉

螺钉连接可以拆卸需要垫圈和螺钉、板面和孔使用标准零件

粘胶⽚不占用空间、可提高传热、较

高振动固有频率、增加绝缘性

固化时间和可能变形低固化温度可减小变形

胶⽔不占用空间、可提高传热、较

高振动固有频率

可生产性方面及固化时间和变

形等

低固化温度可减小变形

表7-4 元件引线/端⼦连接的相对可靠性矩阵表

周期运行环境

[ºC]

设计寿命[年]

51020

周期频率[周期/日]

0.1 1 10 0.1 1 10 0.1 1 10

平均周期寿命频率[周期/日]

183 1825 18,250 365 3650 36,500 730 7300 73,000

相对可靠性指数、R[ppm/ºC]

+20 to +40 2200 790 360 1600 580 270 1150 420 200

+20 to +80 670 240 110 490 170 79 350 130 58

-40 to +40

600 230 110 440 170 83 330 130 62

-40 to +80

370 140 65 270 100 48 200 75 36

1) 这些环境跨越了从应力驱动(<20ºC)到变形/蠕动驱动(>+20ºC)过度区域的范围；已经表明对于这种环境、疲劳的发生由于不

同于构成本可靠性表的机理而显著地提早、同时宜假定这些环境的R值是偏好的。

2003年5月 IPC-2221A

IPC-2221a-7-02

图7-2 相对热膨胀系数(CTE)⽐较

IPC-2221A 2003年5月

焊接点失效的疲劳次数取决于但并不仅限于:

元件和印制板之间的热膨胀系数不匹配、组装

件必须操作的温度变化范围、如果元件和板子

之间有明显的温差存在、焊接点尺寸、元件尺

寸和电源回路可能会引起不合要求的热膨胀不

匹配出现。

7.4 热设计可靠性

设计寿命可以通过模拟

运行环境的比较测试来验证。表7-4为表面贴

装器件在对三种运行环境下验证设计的一个例

子: 每天0.1周期、每天1周期、每天10周期。

运行环境表示四种不同的温度范围。该表对设

计寿命要求为5年、10年、或20年的设备、建

立了一个相对的可靠性指数(ppm/℃)。该可靠

性指数(R)是一个可用于考虑组装件是否能在

期望寿命环境中能经受得住的参数。

R =Δγ/ΔT≌LDΔα/h[(ppm/℃)]

式中:

Δγ= 焊点总应变(ppm)

ΔT =循环温度摆动(℃)

LD = 元件上任意焊点中心间、拐角与拐角或

端点与端点之间的最大距离的一半(mm)

Δα= 基材与元件的热膨胀系数间的绝对差

(ppm/℃)

h = 焊点高度(mm)

要求寿命较长或更为恶劣条件、矩阵表中的数

值变得较低。可靠性指数粗略地给出在一个平

均的疲劳寿命将产生最大周期应变、正好相等

于期望的设计寿命。矩阵表主要用于无引脚元

件; 而对一些相互关系根本不同的有引脚元

件、虽然不改变指示趋向、但将改变矩阵表的

数值。这仅仅表示周期寿命的平均值、表明系

统中有一半的元件预期失效、而非第一个元件

失效。焊接处疲劳失效的统计分布、应包括在

可靠性评估中。

就通孔安装的玻璃元件来说、它往往为元件引

线弯头提供充分的应力释放(见8.1.14)。随着

表面贴装元件的出现、疲劳周期数可能会通过

下列措施而增加: 减少热膨胀的不匹配、减

少温度梯度、增加焊接点高度、尽可能使用最

小实物尺寸的元件、以及优化元件和印制板之

间传热通路。更多的详细内容、见IPC-D-279、

IPC-SM-785和IPC-9701。

8 元件和组装问题

元件的安装和贴装在印制板设计中起着重要

的作用。除了在元件密度和导线的布线方面具

有明显的影响以外,这些方面的印制板设计也

对制作、装配、焊接区的完整性、可维修性及

测试产生影响。因此、设计反映这些内容和其

它对制造方面有意义的事项、要适当地权衡考

虑、这是十分重要的。

元件在安装后应要经得住振动、机械冲击、潮

湿、温度循环、以及其它在安装和在后续的整

个寿命使用过程必须承受的环境条件、所有元

件都应如此选择。下列是设计者宜考虑的要求

并宜在装配图上详细的具体注释及图解。

元件的安装和连接至少宜考虑下列方面:

• 电路设计对电气性能和电气间距的要求;

• 环境的要求;

• 有源与无源电子元件和相关硬件的选择;

• 尺寸和重量;

•尽量减少热产生和散热问题;

• 制造、加工和操作要求;

• 合同要求;

•维护性要求;

• 设备用途和使用寿命;

• 组装使用自动插入和布局的要求;

• 组装之前、组装期间、组装之后的测试方

法;

• 现场维修和维护考虑的事项;

• 应力的释放;

•胶粘剂的要求。

2003年5月 IPC-2221A