采用PCB自发热改善电路板低温特性

文/尹可 卢圣涛 任慧麟

1 概述

电子控制器是现代航空武器装备的重要组件，控制器内部电子元器件存在一定的正常工作温度范围。相较于民用产品，军用产品对于低温环境条件有更严苛的要求，不同等级的电子元器件的最低工作温度温度见表1，长时间在超限低温条件下电子元器件容易失效，导致控制器无法正常工作。

我国幅员辽阔，要求航空武器装备能够适应国土范围内各种各样的气候条件，特别的对于高寒地区，最低温度往往低于-40℃。对于现代航空武器装备的大脑-电子控制器而言，低温限制了元器件的选择范围，降低了元器件的可靠性，增高了元器件的使用成本。

目前电子元器件低温工作的改善，采取的措施主要有：

（1）增加二次筛选，符合低温使用需求的元器件挑选出来。

（2）选用符合对应温度范围的军温档元器件。

（3）在机箱内部设置加热管路或加热器等加热组件。

方法（1）、方法（2）从元器件入手，无需修改电子控制器的设计，当成本较高，二次筛选、采用军温档器件成本显著上升，对温度范围提升也存在有限。方法（3）目前应用也较为广泛，通过加热是电子控制器机箱内温度上升，达到工业级器件工作温度范围，但加热设备需增加机箱的重量与尺寸，带来额外的成本。

表1：常用元器件等级对应的最低温度

本文提出了一种在PCB内部构建加热层的方法，通过增加少量器件方式实现主动加热提高电子控制器的低温特性。该方法对原有PCB电路的结构影响小，对PCB板直接加热，快速提升PCB板上元器件的温度。

2 基于PCB铜箔层构建加热层

目前PCB普遍采用多层板，如图1所示，按功能可分为导电层及基材，基材用于为元器件提供支撑保证元器件提供固定和支撑，一般采用FR4玻璃纤维材质；导电层一般采用高纯度铜箔，单层铜箔厚度一般为35um，通过在铜箔层上刻蚀出导电线路，为PCB上各个元器件建立电气连接。

图1：典型PCB板结构

图2

图3：模拟机箱内热平衡时PCB板温度分布图

利用PCB内部布线层，通过在该铜箔上刻蚀出导线，在导线两端直接加载电流，利用导线的电热效应可实现对PCB板的直接加热。采用PCB铜箔层构建加热层有如下优点：

（1）不影响PCB原有设计。加热层在增加铜箔层中实现，不影响原来的PCB板布线和元器件布局。

（2）可根据需要对PCB板局部进行加热。通过灵活在在PCB板上绘制加热导线区域，如图2a、图2b所示。

（3）重量、成本基本不变。PCB板导电层很薄，重量主要源自基材FR4，通过在其中增加铜箔层数不会带来重量的明显增加。

当外部环境温度过低时，电子控制器开始工作前，先接通PCB加热层的开关，电子控制器机箱内部的PCB板和元器件进行加热，待温度达到控制器正常工作范围后，电子控制器即可开始正常工作。

3 导电层导线长度计算

在铜箔中构建加热层需要考虑以下因素：总的热功率与导线的载流能力。热功率决定了加热的效率及稳态时的最高温度；载流能力决定了对应线宽的PCB导线允许的最大电流值，PCB上的导线电流值过大时会导致导线本身短时温升过高而发生熔断。

热功率计算，根据导导电率计算公式：

其中ρ为纯铜的电导率，L为导线长度，S为导线截面积，当采用铜箔层构成导线时，一般标准铜箔厚度为h=35um，导线的截面积与线宽的关系为 S=wh，代入（1）可得：

根据焦耳定律，可知导线的功率与输入电压的关系为：

根据（3）可知，在材料已知条件下，热功率与导线的长宽比成反比，与供电电压的平方成正比，与铜箔的厚度h成正比。当电压、功率确定后，导线的长宽比即确定，进行到热层设计时应考虑选择适当的线宽，使实际流过导线的电流小于允许的最大电流。

以普通的PCB板为100mm×100为例，线宽选用w=0.25mm，采用迂回方式进行单层布线，导线可达L=20m，代入公式计算有

此时可知R=40Ω，当U=28V时，P=19.6 W，对应的电流I=0.7A，电流值小于线宽允许的最大载流。

4 ANSYS Icepak仿真验证

ANSYS Icepak是一款电子散热优化专用分析软件，对第3节中的PCB热功率进行Icepak建模热仿真分析，评估加热的效果与温升是速度，模拟机箱在-55℃外部恒温条件PCB板及机箱内部的温度场分布。

4.1 单层加热

在Icepak中建立简化的机箱及PCB板的简化模型，机箱热力学仿真，考虑标准重力条件、1个标准大气压下，对100×100mm，2mm厚PCB板进行建模，设置机箱尺寸为120×120×120mm的灰铸铁机箱，表面作氧化处理，设置环境温度为-55℃，初始状态时，内部充满1个大气压力的空气。PCB采用简化模型，表面铜箔厚度为35um，覆铜覆盖率设置为50%，顶层与底层作为布线层，中间层用作主动加热层，单层加热功率设置为19.6W，计算此时机箱内部热平衡时PCB板表面的温度分布情况。重力设置为Y坐标方向，PCB板位于XZ平面内。

图3、图4为Icepak仿真计算结果，当机箱内部达到热平衡，内部温度场稳定后，PCB平面的温度分布为：中心温度最高，温度场呈中心对称，中心温度可达-19.7℃，PCB四角温度最低，最低温度为-22.1℃；考虑机箱内空气对流条件，PCB板附近温度分布呈现上部高，下部温度低，热空气对流主要在机箱的上半部分，PCB板周围空气温度大于-35℃，进入工业级器件的环境温度范围，能够满足工业级器件正常工作。

温升速度同样是实际应用一个重要指标，要求恶劣条件下能快速提升机箱内部温度，使武器装备迅速进入战备状态。相同边界条件，分别计算PCB中心点与四角上的点的温度随时间的变化趋势，仿真结果见图5。

根据图2可知，温度曲线在初始阶段快速上升，约5分钟左右PCB板中心点温度达到-40℃，约15分钟温度变化趋于平缓，整个系统基本进入热平衡的状态，PCB的温度在-19℃基本不再发生变化。

4.2 双层加热

环境温度更低条件下，为了更高的稳态温度和更快的温升，不改变PCB线宽及铜箔厚度条件下，在PCB中加热层的数目可以进一步增大加热功率。

计算双层加热条件下机箱的中心点与四个角点的温度变化情况，此时总的加热功率变为39.2W，仿真计算结果如图6。

由图6可知，稳态时PCB中心点温度为-7.5℃，四角的点温度为-9.7℃，分别较单层加热提高了12.2℃、12.4℃，温度到达稳态的时间基本保持不变，温升速度提高了约30%。

综上所述，在-55℃外部条件下，通过在PCB板内部构建加热层可将PCB板整体温度快速提升到工业级器件适用范围内，通过灵活的配置加热层的数目，可以进一步提高加热的功率与温升的速度。

将PCB加热层结合温控开关组件，在温度达到设定值时自动断开加热层供电，可进一步构成一个自动化的温控系统。

5 结论

通过在PCB内部铜箔上构建加热层的方法实现对PCB板快速加温的方法。通过理论分析与ANSYS Icepak仿真计算，对提出的方法进行了验证。仿真计算结果表面，构建的内部加热曾能够实现对PCB板整体的快速加温，方法可行、高效。

图4：模拟机箱热平衡时XY平面温度分布图

图5：单层加热PCB中心点与四角点温度随时间的变化

图6：双层加热PCB中心点与四角点温度随时间的变化