IPC-2152 與 IPC-2221：哪種標(biāo)準(zhǔn)適合用于 PCB 熱分析

數(shù)十年來(lái)，IPC 一直在與業(yè)內(nèi)專業(yè)人士合作，制定有關(guān) PCB 設(shè)計(jì)和制造的綜合標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，這些努力都取得了成效，而且在這些標(biāo)準(zhǔn)小組的參與者中形成了一種持續(xù)改進(jìn)的文化。制定標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要領(lǐng)域是定義 PCB 線路中的電流限制，但標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性卻不盡如人意。

涵蓋這一設(shè)計(jì)領(lǐng)域的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是 IPC-2152 和 IPC-2221。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都涉及設(shè)計(jì)實(shí)踐，旨在使電路板在一定的安全溫度范圍內(nèi)工作。有兩種標(biāo)準(zhǔn)涉及兼顧熱影響的設(shè)計(jì)實(shí)踐，那么具體應(yīng)該遵循哪一種標(biāo)準(zhǔn)呢？

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為什么會(huì)有兩種與熱”相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

熟悉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電路板設(shè)計(jì)人員很可能知道，有兩套標(biāo)準(zhǔn)涉及電路板的可制造性和設(shè)計(jì)：分別是 222x 系列標(biāo)準(zhǔn)和 601x 系列標(biāo)準(zhǔn)。每套標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了某些設(shè)計(jì)實(shí)踐，旨在確?？芍圃煨浴⒖煽啃?、安全性和質(zhì)量。在 222x 系列中，一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用電路板密切相關(guān)的一系列要求。

在 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)中，有一部分是關(guān)于熱管理的，概述了器件擺放、散熱器的適當(dāng)使用和冷卻系統(tǒng)的使用等最佳實(shí)踐。該熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)甚至還規(guī)定了散熱器的適當(dāng)組裝方法，如使用可補(bǔ)償 CTE（熱膨脹系數(shù)）的熱界面材料、粘合劑的使用和焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，以確保熱循環(huán)下的可靠性。

在該標(biāo)準(zhǔn)的熱/電氣部分，大部分?jǐn)?shù)據(jù)是銅導(dǎo)軌橫截面積與溫度變化和電流的關(guān)系。可以將電流或溫度定義為設(shè)計(jì)目標(biāo)，并計(jì)算出承載該電流的走線所需的橫截面積。

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與“熱”相關(guān)的 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)

在制定 IPC-2221 中的熱標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用了測(cè)試電路板的熱數(shù)據(jù)，向測(cè)試電路板上的走線施加已知大小的電流，并測(cè)量走線的溫度變化。收集到的結(jié)果是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的電路板，然后歸納為一個(gè)公式，包括銅面積（以平方毫米為單位）、溫升（以攝氏度為單位）和電流（以安培為單位）：

外部銅的常數(shù) k = 0.048，內(nèi)部銅的常數(shù) k = 0.024，均假設(shè)銅重為 1 盎司。

此時(shí)需要使用 IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)。上述公式僅針對(duì)具有單一銅重的單一類型電路板。而制定 IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)是為了將上述數(shù)據(jù)擴(kuò)展到涉及多種不同設(shè)計(jì)選擇的多種設(shè)計(jì)方案。

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與“熱”相關(guān)的 IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)

IPC-2152 中的數(shù)據(jù)試圖總結(jié)測(cè)試載具（與在 IPC-2221 中使用的測(cè)試載具相同）的結(jié)果，但考慮了其他電路板參數(shù)。這些不同的參數(shù)包括：

銅重

內(nèi)部走線與外部走線

外部環(huán)境（空氣或真空）

結(jié)果包括大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以圖表的形式呈現(xiàn)，顯示了溫升、供電電流和銅重/導(dǎo)軌寬度之間的關(guān)系。這些結(jié)果并沒(méi)有像 IPC-2221 中那樣匯總成一個(gè)簡(jiǎn)單的公式。

遺憾的是，因?yàn)閷?shí)際電路板可能包括覆銅、內(nèi)部平面和層數(shù)多等各種情況，所以不可能捕獲每種可能的設(shè)計(jì)類型的熱數(shù)據(jù)。事實(shí)上，在 IPC-2152 和 IPC-2221 中，制定標(biāo)準(zhǔn)的工作組承認(rèn)，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致高估實(shí)際 PCBA 的數(shù)值。

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結(jié)論是什么？

IPC 自己也承認(rèn)，這些熱標(biāo)準(zhǔn)很可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員高估每個(gè)走線區(qū)域/電流配對(duì)的預(yù)期溫升，因此該標(biāo)準(zhǔn)自然會(huì)高估保持電路板散熱效果所需的銅量。如果設(shè)計(jì)人員遵循現(xiàn)代最佳實(shí)踐，使用大面積的接地區(qū)域（平面），那么電路板就會(huì)產(chǎn)生一種自然機(jī)制，將熱量從發(fā)熱器件和大電流導(dǎo)軌上散發(fā)出去。

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為什么很難預(yù)測(cè)溫度？

顯然，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，IPC 工作組并沒(méi)有充分定義溫度與走線電流之間的關(guān)系，尤其是考慮到這些系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷升級(jí)換代。電子設(shè)備中使用的冷卻方法和冷卻系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。因此，實(shí)際的 PCBA 與 IPC-2221 和 IPC-2152 中使用的測(cè)試載具大不相同。如今的設(shè)計(jì)中包含了更多的器件和銅，從而在整個(gè)電路板上產(chǎn)生了更多的源和負(fù)載，最終導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)溫度。

由于這些原因，測(cè)試工程師需要依靠原型散熱測(cè)試來(lái)了解溫度，并確定在實(shí)際設(shè)計(jì)中可能需要的冷卻策略。通過(guò)熱像儀、直接探測(cè)測(cè)量和片上/板上溫度測(cè)量，都能直接了解實(shí)際系統(tǒng)的工作溫度。當(dāng)結(jié)果顯示過(guò)熱可能導(dǎo)致可靠性問(wèn)題時(shí)，工程師就需要制定策略來(lái)控制系統(tǒng)中的熱流。

在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，確定設(shè)計(jì)的安全工作電流和溫度上限的最佳方法是使用 Cadence Celsius Thermal Solver。Celsius Thermal Solver 是第一種專為電氣與機(jī)械工程師設(shè)計(jì)的熱分析技術(shù)。電氣工程師可以擴(kuò)展電源完整性分析，包括快速、準(zhǔn)確和易于使用的熱仿真；而機(jī)械工程師可以擴(kuò)展他們現(xiàn)有的熱分析方法，包括因電熱相互作用產(chǎn)生的真實(shí)熱源。

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圖 ：Celsius Thermal Solver 圖形界面