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一种嵌入式散热汽车线路板的制作过程

文章来源:作者:梁波静 查看手机网址
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人气:2870发布日期:2018-05-08 09:49【

    汽车线路板在大功率运行下产生大量的热量,如何高效、便捷地为电子器件散热降温已成为关乎产品系统设计关键问题。本文介绍了一种采用铝基散热的嵌入式PCB的开发过程并分享了一套最优的产品实现方案。

前言

    随着电子系统集成化程度的不断提升,大容量数据的传输和处理也向着高频化、高速化发展,使得电子产品不断向着高密度、多功能化方向发展。这些导致单位面积或体积功率的不断攀升而产生大量的热量,使得单位体积的热流密度急剧增加,高密度集成等使得散热空间缩小,散热通道拥挤或者堵塞,长时间的高热或者频繁地高低温循环,不仅导致产品老化、结构变形和器件过热损坏等物理性能方面的问题,更是对产品的热可靠性和信号传输保真度等产生过热失效。如何将产品温度保持在满足产品可靠性的规定范围,是电子产品热设计需要考虑的重点问题。目前的电子设备热设计一般划分为系统级热设计、板级热设计和封装级热设计三个层次,分别对应设备框架、PCB产品和元器件三个层级。作为PCB产品结构设计上对电子设备散热的改善,常见的PCB产品设计散热优化主要有埋铜块、金属基板等,本文主要讲述的是一种采用嵌入式金属基散热的PCB产品的制造实现方案。

产品结构分析

    公司某客户设计的某款嵌入式PCB产品,结构如图1所示。产品整体由铝板和PCB板组成,PCB嵌入到铝板凹台面中采用导电胶进行贴合,铝板在传输、分散产品运行时产生的高热的效果的同时也是集成器件贴装的平台。

产品实现主要难点分析 

2.1 导电胶溢胶

    导电胶较高的升温速率要求和较大的压合压力,使得导电胶有着较大的流动度,极易溢胶上PCB邦定焊盘、通过通孔上PCB板面以及通过槽边溢上铝板器件贴装平台。因导电胶具有导电性,任何部位的溢胶均有可能导致产品电测短路,造成产品性能失效。如何设定导电胶的压合程序,使得其符合产品溢胶管控标准,且压合不产生分层、爆板等性能缺陷?(表1)

 2.2 压合分层

    由于PCB板内嵌到铝板凹台面上,同时铝板板角存在两个销钉,使得压合时PCB板压合存在失压风险。如何设计压合叠层结构,避免PCB板与导电胶压合时失压。

策划及执行效果

 3.1 首次产品实现策划及执行

  • 3.1.1 策划方案

    针对产品特点,主要考虑改善导电胶外形设计和层压压合程式的受力、压合时间等(表2)。

  • 3.1.2 策划执行结果

    根据产品策划方案,综合产品质量影响因子,进行组合生产实践验证。首批生产试验结果发现,不论如何降低压力和内缩导电胶外形变均无法完全保证无溢胶缺陷,电测无法合格。但在图2压合程序下生产,可确保产品回流测试无分层缺陷。

  • 3.1.3 生产总结分析

    根据前期生产试验效果,分析过程设计和结果逆推,发现有以下几点需要改善。

    (1)寻求更小胶厚的导电胶。前期采用0.1 mm胶厚的导电胶含胶量过大,在PCB板厚仅为0.2 mm时,溢胶上焊盘和外形边无法避免,需寻找更小厚度的导电胶进行试验。

    (2)更改产品设计方案,改通孔为盲孔设计,取消产品销钉。前期PCB内的通孔无阻胶作用,导电胶在压合时,在流胶无阻滞时会溢上孔口,较大的含胶量使得其流胶更多,从而蔓延至PCB线路上,致使电测短路,故更改产品设计方案。

    (3)继续改善压合程式。前期压合程式虽无法完全解决溢胶,但在改善压力和压合时间等的设计后,可保证压合成品无分层缺陷,后续在保证无分层条件下,继续减小压合压力。

    (4)改善辅料配套设计。前期辅料设计主要是为了确保PCB板压合受力,避免仅有销钉受压的情况。现设计盖板对覆型硅胶进行限制和配压,减小PCB压合受力,避免溢胶。

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/p6Vlqvia1Uicxyf6VB5RmPzHZYaSS8CCOrRibywtoIyUjAmKiceufpsrJ94tvrduxk891GeDDaZcLeoSNL9M4AYicqQ/640?wx_fmt=gif&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1 3.2 二次产品开发过程

  • 3.2.1 第二次试验方案

    根据3.1.3中的分析,我们寻找到目前已开发的产品中最小胶厚为0.05 mm的导电胶,考虑前期设计和生产效果,设计出试验方案。

  • 3.2.2 策划方案执行效果

    根据生产实践和产品结果分析发现,采用0.05 mm胶厚导电胶,按策划方案执行,盲孔方案板在板面无溢胶,但在PCB板外形边仍然存在溢胶,且无法完全避免。部分产品目视无溢胶,但在50倍放大镜检测下仍然可以溢胶。但回流测试未见分层。

  • 3.2.3 第三次优化及效果

    根据前期开发,已基本确认压合程式设定和辅料配套,若继续减少导电胶的含胶量即可确保产品开发。第三次优化设计为:

    (1)导电胶内缩1.0 mm,压合程式给定压力为50 N/cm2;

    (2)在导电胶内增加小孔开窗,采用物理加工的方法减少导电胶,达到减小胶量的目的。按上述方案执行,成品效果如图3,客户要求的所有溢胶控制区域内均无溢胶缺陷,经回流测试和电性能测试均未见质量和性能缺陷。同时,产品也在客户端通过验证。

  • 3.3 产品实现方案小结

    综合前述试验策划方案和生产实际效果验证,实现此嵌入式PCB的最佳生产方案。

结语

    在开发此嵌入式散热PCB的过程中,主要面对的问题就是产品溢胶缺陷和分层缺陷。为成功开发新产品和满足客户端需求,我们从生产物料、生产工艺和辅料配套等方面进行适当的更改和不断地优化,最终成功开发出新的产品。作为PCB制造行业的从业人员,关注PCB发展方向和应用领域,关注新产品的流程开发,积累不同的实现方法和技术设计,学习和了解更多新材料的知识,是实现制造满足设计需求、提升时代发展速度的必然要求。所以,我们愿意最大程度的与大家分享我公司最新的技术开发成果,促进技术交流。

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