与刚性印制板粘接的电子模块散热冷板设计

文雯 赵亮 杨明明 刘婷婷

摘 要：电子模块可以通过将刚性印制板与冷板使用胶粘剂材料粘接的方式，有效提升散热能力。本文对与刚性印制板粘接的冷板设计方法进行了研究，建立了热仿真和应力仿真计算模型，对不同冷板设计方案下电子模块的散热能力和抗变形能力进行仿真分析，以验证模块冷板设计的合理性。

关键词：电子模块；冷板；散热；抗变形。

1. 引言

电子模块印制板基板材料一般为覆铜箔环氧玻璃布层压板，法向导热系数0.37 W/m·K；冷板作为电子模块的散热板，一般为铝合金材质，铝合金具有足够的强度、耐腐蚀性、抗冲击性等优秀的特点，并且在焊接方面也有独特的优势[1]，导热系数可达180W/m·K。通过胶膜材料粘接刚性印制板与冷板，可以有效提升电子模块的散热能力，同时起到增加结构强度的作用。但是，粘接时需确保冷板、成型胶膜和印制板按粘接面叠放定位后，外形一致，孔位准确，彼此匹配，冷板不应覆盖、遮掩印制板焊盘。通过优化冷板设计，可以消除焊接时元器件管脚接触冷板的风险，降低焊接的返工率，提高电子模块的生产效率和产品制造的可靠性与安全性。

2. 冷板设计

电子模块采用刚性印制板与冷板粘接设计时，通孔元器件焊盘处冷板设计一般采用开孔方式避开印制板焊盘区域，具体如下图所示。

图1　粘接后的印制板焊盘与冷板

对手工定位插装有较高要求的双列直插器件，一旦操作不当，如插装不正、引入多余物等，则会导致器件引脚和冷板的间距变窄，焊接后存在相互接触的隐患，如下图所示。

图2　元器件管脚和冷板接触

为降低制造风险，可以改进冷板设计，将大部分通孔元器件焊盘采取线切割直槽方式避开印制板焊盘区域，仅保留间距较大的焊盘位置采取打孔方式，消除焊接时元器件管脚接触冷板的风险，降低焊接的返工率，提高电子模块的生产效率和产品制造的可靠性与安全性，具体如下图所示。

(a)焊盘打孔 (b) 焊盘开槽

图3　冷板设计方案

3. 特性分析

将产品预期承受的热、振动等环境应力施加到数字样机模型上开展仿真计算分析。

1. 1. 重量

以某外形尺寸180mmX180mm的电子模块为例，1.2mm厚的铝合金冷板采用直槽方式设计时，相对于开孔方式，重量约减轻30g，相应的电子模块的重量也会减轻约30g，重量对比情况见下表。

表1　重量对比

类型	冷板开孔	冷板开槽
图示
重量	70g	40g

1. 2. 散热影响分析

采用计算流体力学（CFD）方法，对冷板元器件焊盘处采取开孔方式和直槽方式的电子模块分别进行热仿真计算，边界条件如下：

1. 环境压力为1个标准大气压；

2. 工况1：模块采用自然散热方式，环境温度70℃，重点监控元器件与PCB之间有冷板填充；

3. 工况2：模块采用自然散热方式，环境温度70℃，重点监控元器件直接安装在PCB上，冷板处开槽。

表2　热应力分布情况

工况1	工况2

热仿真结果如下表所示。

表3　热仿真结果

结论：当冷板上匹配元器件每个管脚的圆形通孔改为长条形开槽时，元器件热仿真温度比重点监控元器件直接安装在PCB上时低0.3~3.6℃。

1. 3. 强度影响分析

冷板有大面积开槽时，单独开展模态仿真时局部变形集中，不能准确体现冷板采用开孔方式或开槽方式时模块抗变形能力的变化，因此，建立与实物状态一致的印制板（含连接器）和冷板粘接组件的三维数模进行固有频率分析，结果如下表所示。

表4　模块的一阶固有频率

类型	冷板焊盘处开孔	冷板焊盘处开直槽
频率	谐振频率375.77Hz	谐振频率354.7Hz
图示

结论：冷板采用开孔方式或开直槽方式设计，电子模块的固有频率变化不大，表明电子模块的抗变形能力变化不大。

4. 结论与分析

冷板元器件焊盘处采取开直槽设计，可以消除焊接时元器件管脚接触冷板的风险，对电子模块的散热能力无明显影响，对电子模块的耐振动能力基本无影响。

参考文献

[1]鲁聪聪。铝合金在船舶与海洋工程中的应用研究[J].科学技术创新，2019年04期：29-30

作者简介：文雯（1985-），女，工程师，主要从事机载、弹载计算机结构设计工作。