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浅析pcb线路板的热可靠性问题
一般情况下，pcb线路板板上的铜箔分布是非常复杂的，难以准确建模。因此，建模时需要简化布线的形状，尽量做出与实际线路板接近的ANSYS模型线路板板上的电子元件也可以应用简化建模来模拟，如MOS管、集成电路块等。


热分析

贴片加工中热分析可协助设计人员确定pcb线路板上部件的电气性能，帮助设计人员确定元件或线路板是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算线路板的平均温度，复杂的则要对含多个线路板的电子设备建立瞬态模型。热分析的准确程度终取决于线路板设计人员所提供的元件功耗的准确性。



在许多应用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高，从而使线路板的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析。与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低，也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高，此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对线路板进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本，而且延长了**时间，在设计中加入风扇还会给可靠性带来不稳定因素，因此线路板板主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热)。



线路板简化建模

建模前分析线路板中主要的发热器件有哪些，如MOS管和集成电路块等，这些元件在工作时将大部分损耗功率转化为热量。因此，建模时主要需要考虑这些器件。



此外，还要考虑线路板基板上，作为导线涂敷的铜箔。它们在设计中不但起到导电的作用，还起到传导热量的作用，其热导率和传热面积都比较大线路板板是电子电路不可缺少的组成部分，它的结构由环氧树脂基板和作为导线涂敷的铜箔组成。环氧树脂基板的厚度为4mm，铜箔的厚度为0.1mm。铜的导热率为400W/(m℃)，而环氧树脂的导热率仅为0.276W/(m℃)。尽管所加的铜箔很薄很细，却对热量有强烈的引导作用，因而在建模中是不能忽略的。

PCB线路板调试技术之六类模块

在PCB抄板及设计工作中，我们常常要对电路板进行调试与测试，六类模块电路板的调试就是其中一种，为了能让大家更好的理解六类模块电路板的调试技术，我先给大家简单的介绍一下六类模块。六类模块的核心部件是线路板，其设计结构、制作工艺基本上就决定了产品的性能指标，六类模块执行的标准是 EIA/TIA 568B.2-1，当中为重要的参数是插入损耗、回波损耗、近端串扰等。

插入损耗 (Insert Loss)：由于传输通道阻抗的存在，它会随着信号频率的增加而使信号的高频分量衰减加大，衰减不仅与信号频率有关，也与传输距离有关，随着长度的增加，信号衰减也会随着增加。回波损耗(Return Loss)：由于产品中阻抗发生变化，就会产生局部震荡，致使信号反射，被反射到发送端的一部分能量会形成噪音，导致信号失真，降低传输性能。如全双工的千兆网，会将反射信号误认为是收到的信号而引起有用信号的波动，造成混乱，反射的能量越少，就意味着通道采用线路的阻抗一致性越好，传输信号越完整，在通道上的噪音就越小。回波损耗RL的计算公式：回波损耗=发射信号÷反射信号。
  

在设计中，阻抗的全线路一致性以及与100欧姆阻抗的六类线缆配合是解决回波损耗参数失效的有效手段。例如PCB线路的层间距离不均匀、传输线路铜导体截面变化、模块内的导体与六类线缆导体不匹配等，都会引起回波损耗参数变化。近端串扰(NEXT)： NEXT是指在一对传输线路中，一对线对另一对线的信号耦合，即为当一条线对发送信号时，在另一条相邻的线对收到的信号。这种串扰信号主要是由于临近绕对通过电容或电感耦合过来的，通过补偿的办法，抵消、减弱其干扰信号，使其不能产生驻波是解决该参数失效的主要办法。

在模块试制阶段，用理论做指导，以计算机辅助设计为依据，就能很快的达到预期效果。在国内进行的六类模块PCB设计中，主要以线路对角补偿理论做依据，进行大量的试制工作，同样也可达到预期效果。模块与插头引起的信号外漏现象会发生相互间的信号干涉，为防止信号干涉现象，在平衡链路中导体进行扭绕，达到平衡传输的目的，扭绕结构会造成信号间的相位变化，也会增大线路上的信号衰减，这个结构称之为非屏蔽结构(UTP)。4对平衡双绞线中，每对线的绞距不同，线缆尾端使用模块化的连接件，形成连接件和接插件之间的相连，相互连接区内形成导体之间进行的平衡结构，即为六类系统的链路。在链路内产生了在平衡线路中所发生的信号干扰现象，即为串扰，解决串扰问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。
  

在接触端子之间产生接触损失会导致衰减、反射损失等现象，这种损失在高速信号传输时，会产生障碍和故障，解决这类问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。在模块与插头的连接线路中，插头内的每对连接端子是平衡线路，平衡线路中导体会产生信号外漏及阻抗损耗，阻碍通信的大因素就是信号外漏。可通过研究E场和H场解决此类问题或从研究反向衰减的方法中寻找解决方案，这是高速通信用连接件制造的核心技术。E场和H场平衡线路上所发生的信号干扰，即电磁场干扰，可通过E场和H场的分布进行描述。



电子通信线路测试的主要参数是扫频下进行的相关测量，在这个频率信号上附加语音或数据包进行传输，传输速度越高频率越快。用信号外漏的解决方法来解释产生问题的插座信号外漏现象，基本的方法是根据电感和电容所发生的信号外漏仿真图，在信号集中区域收集信号并进行返送。在设计中，耦合电容的设计是关键参数，与耦合线路的长度、线间距离、宽度、补偿线路布置等有关。考虑到六类系统采用4对线同时传输信号，必然会对其产生综合远端串绕，可通过分析，进行计算机仿真，设计出补偿线路。国内同行一般进行的六类模块试制过程主要是在确定主干回路后，在设计出补偿回路，进行大量的方案设计和样品制作，在补偿线路、PCB层间结构基本确定后，后续工作主要是通过工艺改进，从而提。

PCB行业全景解析
印制电路板（PrintedCircuitBoard，简称“PCB”），是承载电子元器件并连接电路的桥梁，指在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板，其主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起传输作用。

PCB作为电子产品的关键元器件几乎应用于所有的电子产品，是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件，被誉为“电子产品之母”。
PCB产品分类


PCB的产品种类众多，可以按照产品的导电层数、弯曲韧性、组装方式、基材、特殊功能等多种方式分类，但在实际中，往往根据PCB各细分行业的产值大小混合分类为：单面板、双面板、多层板、HDI板、封装载板、挠性板、刚挠结合板和特殊板。

PCB封装基板分类可分为：存储芯片封装基板（eMMC）、微机电系统封装基板（MEMS）、射频模块封装基板（RF）、处理器芯片封装基板及高速通信封装基板。

封装基板是Substrate（简称SUB）。基板可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效，以实现多引脚化，缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、密度或多芯片模块化的目的。

按基材柔软性划分，PCB可分为刚性印制电路板、挠性（柔性）印制电路板（FPC）和刚挠结合印制电路板。

FPC以软性铜箔基材（FCCL）为原材料制成，具有配线密度高、轻薄、可弯曲、可立体组装的优点，适用于小型化、轻量化和移动要求的电子产品。

印刷电路板主要由金属导体箔、胶粘剂和绝缘基板三种材料组合而成，不同的PCB，其绝缘基板表面的导体涂层数可能不同。

根据导电涂层数，可分为单面板、双面板、多层板。其中，多层板又可分为中低层板和高层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达几十层。

PCB行业产业链


中国的电子产业链日趋完善、规模大、配套能力强，而PCB产业在整个电子产业链中起到承上启下的关键作用。

PCB是每个电子产品承载的系统合集，核心的基材是覆铜板，上游原材料主要包括铜箔、玻璃纤维及合成树脂。

从成本来看，覆铜板占整个PCB制造的30%-40%左右，铜箔是制造覆铜板的主要原材料，成本占覆铜板的30%（薄板）和50%（厚板）。

下游应用比较广泛，其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%，5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。

覆铜板是核心基材图片

覆铜板（CCL）的制造过程是将增强材料浸以有机树脂，经干燥加工形成半固化片。将数张半固化片叠合在一起的坯料，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。

从成本来看，覆铜板占整个PCB制造的30%左右，覆铜板的主要原材料为玻璃纤维布、木浆纸、铜箔、环氧树脂等材料，其中铜箔作为制造覆铜板的主要原材料，占80%的物料比重包括30%（薄板）和50%（厚板）。

各个品种的覆铜板之所以在性能上的不同，主要是表现在它所使用的纤维增强材料和树脂上的差异。生产PCB所需的主要原材料包括覆铜板、半固化片、铜箔、氰化金钾、铜球和油墨等，覆铜板是为主要的原材料。

PCB行业增长态势稳健


PCB广泛的运用途径将有力支撑未来电子纱需求。2019年全球PCB产值约为650亿美元，中国PCB市场较为稳定，2019年中国PCB市场产值近350亿美元，中国地区是全球增长快的区域，占全球产值的一半之多，未来将持续增长。

全球PCB产值地区分布，美洲、欧洲、日本PCB产值在全球的占比不断下降，亚洲其他地区（除日本）的PCB产业产值规模则迅速提高，其中中国大陆的占比提升迅速，是全球PCB产业转移的中心。

PCB市场格局


全球PCB市场较为分散，集中度不高。

2019年全球PCB市场中鹏鼎（中国）、旗胜（日本）、迅达（美国）以6%、5%、4%市占率。

主板要求在有限的空间上承载更多的元器件，进一步缩小线宽线距，普通多层板和HDI已经难以满足需求，由更小的高阶HDI并联起来分散主板功能，使结构设计更加紧凑。

PCB主要应用领域


PCB板的应用覆盖范围十分广泛，下游应用比较广泛，其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%，5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。

汽车电子

汽车用PCB要求工作温度符合-40°C~85°C，PCB一般选用FR-4（耐燃材料等级，主要为玻璃布基板），厚度在1.0~1.6mm。

根据中国产业发展研究网的数据，目前中轿车中汽车电子成本占比达到28%，混合动力车为47%，纯电动车高达65%。


消费电子

随着智能手机、平板电脑、VR/AR以及可穿戴设备等频频成为消费电子行业热点，创新型消费电子产品层出不穷，并将渗透消费者生活的方方面面。这也为消费电子PCB的发展带来了契机。

2019年手机及消费电子占PCB下游应用的比例分别为37%。移动终端的PCB需求则主要集中于HDI、挠性板和封装基板。

据Prismark统计，移动终端的PCB需求主要以HDI及挠性板为主，其中HDI板占比约为50.68%，并有26.36%的封装基板需求。

服务器

服务器平台升级将带动整个服务器行业进入上行周期，而PCB以及其关键原材料CCL作为承载服务器内各种走线的关键基材，除了服务器周期带来的量增逻辑，同时还存在服务器平台升级带来的价增逻辑。

可以说，在服务器面临升级、市场即将扩容的情况下，PCB和CCL将因为服务器升级迎来量价齐升的增长机会。

2019年全球个人电脑的PCB需求主要集中于挠性板和封装基板，合计占比达48.17%；服务/存储的PCB需求以6-16层板和封装基板为主。

PCB在服务器中的应用主要包括背板、高层数线卡、HDI卡、GF卡等，其特点主要体现在高层数、高纵横比、高密度及高传输速率。服务器市场的发展也将推动PCB市场特别是PCB市场的发展。

通信领域PCB

在通信领域，根据不同的PCB特性，可以应用于不同功能的通信设备上。对于大尺寸多层、高频材料可以应用于无线网及传输网中。相比而言，多层板、刚挠结合的PCB元件可用于数据通信网及固网宽带等环节。

根据券商的相关测算，单个5G基站对PCB的使用量约为3.21㎡，是4G基站用量的1.76倍，同时由于5G通信的频率更高，对于PCB的性能需求更大，因此5G基站用PCB的单价要4G基站用PCB，由于5G的频谱更高，带来基站的覆盖范围更小，根据测算国内5G基站将是4G基站的1.2-1.5倍，同时还要配套更多的小基站，因此5G所带来的基站总数量将要比4G多出不少。

此外，5G基站功能增多，PCB上元件的集成密度明显提升，电路板的设计难度也随之提高。高频高速材料的使用和制造难度的提升将显著提升PCB单价。

PCB发展趋势图片
PCB的高频多层化：为了扩大通讯通道，以适应数字时代对信息量与速度传播需求的提升，电子通讯设备的使用频率逐步向高频领域转移。

这就要求PCB基板材料应具有低介电常数与低介电损耗角正切值，只有这样才能获得高传播信号速度，并减少信号传播过程中的损失。除此之外，PCB工艺也随着电子信息技术的发展而向多层化、微线宽、微间距多盲孔等方向发展。

高层化PCB将显著缩小密集复杂的线路连接空间，达到集成化的效果。多层板在电子产品设计上得到普遍的认可并得到深入的技术研发。常见的多层板以四层PCB为主，现在六、八、十层板也逐渐得到普及。


PCB品质的提升推动上游CCL、FR-4基板的产业升级

随着PCB工业规模的扩大核心技术的创新，行业的竞争也不断加剧，厂家开始更为重视PCB产品的品质，因此对PCB品质的管控也愈加严格。

为了适应PCB向精细线路、高频多层方向发展，其上游的CCL材料由单一型过渡到系列化，覆铜板的新材料、新工艺、新技术的运用与研发成为必然趋势。

与此相对应，FR-4型产品的性能也逐渐提升，FR-4型覆铜板的某些性能已不能完全满足PCB的制作要求，FR-4逐步走向高耐燃性、高尺寸稳定性、低介电常数和环保性。


CB国产化进程加速

中国PCB企业依靠成本优势、产能扩张和下游本土品牌的崛起，拉动PCB国产化进程。随着行业的发展，中国PCB内资企业通过自身发展或合资建厂，逐渐积累自身资本、人才和技术资源，构建自身产业护城河，不断发展壮大。

在技术上，不断加大研发投入，积累中PCB技术；在产能上，不断投资建厂，形成规模优势；在产业链上，逐步完善上游原材料渠道和应用市场，形成完备的上下游产业链体系。

中国正式实现PCB贸易从逆差到顺差的转变，标志着中国PCB正进行结构性转变，生产技术不断发展，初步实现进口替代的目标。