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IPC-2152 与 IPC-2221:哪种标准适合用于 PCB 热分析

深圳(耀创)电子科技有限公司 2024-06-15 08:12 次阅读

数十年来,IPC 一直在与业内专业人士合作,制定有关 PCB 设计和制造的综合标准。在大多数情况下,这些努力都取得了成效,而且在这些标准小组的参与者中形成了一种持续改进的文化。制定标准的一个重要领域是定义 PCB 线路中的电流限制,但标准的准确性却不尽如人意。

涵盖这一设计领域的两个标准是 IPC-2152 和 IPC-2221。这两项标准都涉及设计实践,旨在使电路板在一定的安全温度范围内工作。有两种标准涉及兼顾热影响的设计实践,那么具体应该遵循哪一种标准呢?

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为什么会有两种与热”相关的标准

熟悉行业标准的电路板设计人员很可能知道,有两套标准涉及电路板的可制造性和设计:分别是 222x 系列标准和 601x 系列标准。每套标准都规定了某些设计实践,旨在确保可制造性、可靠性、安全性和质量。在 222x 系列中,一般设计标准是 IPC-2221 标准,该标准规定了与大多数商业应用电路板密切相关的一系列要求。

在 IPC-2221 标准中,有一部分是关于热管理的,概述了器件摆放、散热器的适当使用和冷却系统的使用等最佳实践。该热设计标准甚至还规定了散热器的适当组装方法,如使用可补偿 CTE(热膨胀系数)的热界面材料、粘合剂的使用和焊点标准,以确保热循环下的可靠性。

在该标准的热/电气部分,大部分数据是铜导轨横截面积与温度变化和电流的关系。可以将电流或温度定义为设计目标,并计算出承载该电流的走线所需的横截面积。

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与“热”相关的 IPC-2221 标准

在制定 IPC-2221 中的热标准时,采用了测试电路板的热数据,向测试电路板上的走线施加已知大小的电流,并测量走线的温度变化。收集到的结果是针对标准厚度的电路板,然后归纳为一个公式,包括铜面积(以平方毫米为单位)、温升(以摄氏度为单位)和电流(以安培为单位):

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外部铜的常数 k = 0.048,内部铜的常数 k = 0.024,均假设铜重为 1 盎司。

此时需要使用 IPC-2152 标准。上述公式仅针对具有单一铜重的单一类型电路板。而制定 IPC-2152 标准是为了将上述数据扩展到涉及多种不同设计选择的多种设计方案。

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与“热”相关的 IPC-2152 标准

IPC-2152 中的数据试图总结测试载具(与在 IPC-2221 中使用的测试载具相同)的结果,但考虑了其他电路参数。这些不同的参数包括:

铜重

内部走线与外部走线

外部环境(空气或真空)

结果包括大量数据,这些数据以图表的形式呈现,显示了温升、供电电流和铜重/导轨宽度之间的关系。这些结果并没有像 IPC-2221 中那样汇总成一个简单的公式。

遗憾的是,因为实际电路板可能包括覆铜、内部平面和层数多等各种情况,所以不可能捕获每种可能的设计类型的热数据。事实上,在 IPC-2152 和 IPC-2221 中,制定标准的工作组承认,结果会导致高估实际 PCBA 的数值。

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结论是什么?

IPC 自己也承认,这些热标准很可能会导致设计人员高估每个走线区域/电流配对的预期温升,因此该标准自然会高估保持电路板散热效果所需的铜量。如果设计人员遵循现代最佳实践,使用大面积的接地区域(平面),那么电路板就会产生一种自然机制,将热量从发热器件和大电流导轨上散发出去。

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为什么很难预测温度?

显然,对于实际系统,IPC 工作组并没有充分定义温度与走线电流之间的关系,尤其是考虑到这些系统会随着时间的推移而不断升级换代电子设备中使用的冷却方法和冷却系统变得更加复杂。因此,实际的 PCBA 与 IPC-2221 和 IPC-2152 中使用的测试载具大不相同。如今的设计中包含了更多的器件和铜,从而在整个电路板上产生了更多的源和负载,最终导致难以预测温度。

由于这些原因,测试工程师需要依靠原型散热测试来了解温度,并确定在实际设计中可能需要的冷却策略。通过热像仪、直接探测测量和片上/板上温度测量,都能直接了解实际系统的工作温度。当结果显示过热可能导致可靠性问题时,工程师就需要制定策略来控制系统中的热流。

在复杂的电子系统中,确定设计的安全工作电流和温度上限的最佳方法是使用 Cadence Celsius Thermal Solver。Celsius Thermal Solver 是第一种专为电气与机械工程师设计的热分析技术。电气工程师可以扩展电源完整性分析,包括快速、准确和易于使用的热仿真;而机械工程师可以扩展他们现有的热分析方法,包括因电热相互作用产生的真实热源。

Celsius Thermal Solver 环境支持各个方面的热分析,可以快速准确地识别 IC 封装、PCB 和电子系统中的热问题它采用创新的大规模并行求解器技术,仿真速度比传统热仿真器最高可快10 倍,同时显著减少内存使用。它包括一个强大的有限元分析(FEA)场求解器,用于分析复杂固体结构中的瞬态和稳态以及热传导,并利用计算流体力学(CFD)引擎进行对流和辐射热传递分析。

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图 :Celsius Thermal Solver 图形界面

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