基于有限元的PCB板上關(guān)鍵元件熱可靠性分析

電子設(shè)備不斷地微型化，熱設(shè)計(jì)就顯得越來(lái)越重要。體積小、布局緊湊，導(dǎo)致元件溫升越高，從而大大降低系統(tǒng)的可靠性。為此文章從熱傳輸原理出發(fā)，運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析印刷電路板（PCB）上關(guān)鍵元件工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布，確定PCB的高溫區(qū)和低溫區(qū)。并通過(guò)實(shí)例計(jì)算不同布局的PCB的溫度場(chǎng)，通過(guò)比較得出較為合理布局方式。優(yōu)化布局，降低PCB板的溫度，提高系統(tǒng)的可靠性。

1、引言

電子設(shè)備的持續(xù)小型化使得PCB板的布局越來(lái)越緊湊，然而不合理的PCB板布局嚴(yán)重影響了板上電子元器件的熱傳遞通路，從而導(dǎo)致電子元器件的可靠性因溫度升高而失效，也即系統(tǒng)可靠性大大降低。這也使得PCB板的溫升問(wèn)題上升到一定的高度。據(jù)報(bào)道，電子設(shè)備的失效因素， 有55%是因?yàn)闇囟瘸^(guò)規(guī)定值引起的，因此，對(duì)電子設(shè)備而言，即使是降低1℃，也將使其設(shè)備的失效率降低一個(gè)可觀的量值。例如，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，民航的電子設(shè)備每降低1℃，其失效率將下降4%，可見(jiàn)溫升的控制（熱設(shè)計(jì)）是十分重要的問(wèn)題。

PCB板上熱量主要來(lái)源于功耗元件，如：變壓器、大功率晶體管、大功率電阻等。它們的功耗主要以熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的形式散發(fā)到周?chē)慕橘|(zhì)中，只有小部分以電磁波形式散出。所以，若要提高PCB板電子元件的穩(wěn)定性、可靠性，必須清楚的了解PCB板上關(guān)鍵元件的功耗及其板上的溫度場(chǎng)分布，做到合理布局。

在進(jìn)行熱模擬時(shí)，通常采用有限元或有限差分的方法解熱傳輸和流體流動(dòng)方程。本文采用有限元分析。有限元對(duì)解復(fù)雜的幾何形狀更準(zhǔn)確，允許在有些區(qū)域加密網(wǎng)格，如板或系統(tǒng)的部份區(qū)域比其他部份更為感興趣，就可以在這些區(qū)域把網(wǎng)格加密，而其他區(qū)域網(wǎng)格稀疏一點(diǎn)。但是網(wǎng)格加密不能從一種密度直接跳躍到另一種密度，只許逐漸加密。

2、基本傳熱原理及ANSYS有限元熱模擬流程

2.1熱傳導(dǎo)

傅立葉定律（又稱(chēng)導(dǎo)熱基本定律）：?

（1）

式中：Q為時(shí)間t內(nèi)的傳熱量，K為熱傳導(dǎo)率，T為溫度，A為平面面積，T為兩平面之間的距離。

2.2表面熱對(duì)流

表面積為Ａ，傳遞熱量Ｑ時(shí)， ，當(dāng)表面與環(huán)境的溫差為Ｔw-Ｔf時(shí)

Ｑ=ｈＡ（Ｔw-Ｔf） （2）

ｈ為表面對(duì)流換熱系數(shù)。通過(guò)這個(gè)公式可以計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)。在本文中自然對(duì)流換熱系數(shù)主要通過(guò)這個(gè)公式來(lái)計(jì)算。這里PCB板的熱輻射可以不作考慮，故忽略。

同時(shí)這里值得提出的是PCB板上功耗元件的生熱率問(wèn)題，功率芯片的耗散的功率在ANSYS中用生熱率HGEN來(lái)表示，其計(jì)算公式如下：

其中：P為功耗，V為元件的體積

2.3 ANSYS有限元熱模擬流程

本文通過(guò)ANSYS軟件創(chuàng)建幾何模型，以底向上和自頂向下方法創(chuàng)建實(shí)體模型。在創(chuàng)建實(shí)體模型過(guò)程中，由于電子元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了網(wǎng)格劃分方便及結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以簡(jiǎn)化實(shí)體模型，選用適合不規(guī)則形狀單元?jiǎng)澐值腟OLID87 10節(jié)點(diǎn)單元。

3、有限元求解溫度場(chǎng)

3.1 二維溫度場(chǎng)實(shí)例分析

布局1：Chip1 ，Chip2并排一側(cè)邊，Chip3緊靠Chip1一側(cè)。

溫度為101.5℃，溫度為92.7℃。

布局2：Chip1 ，Chip2并排一側(cè)邊，Chip3在PCB板另一側(cè)。溫度為90℃，溫度為70.7℃。

3.2比較分析

1、比較兩個(gè)終模擬溫度場(chǎng)的分析結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)布局2的溫度和溫度均得到很大程度的降低（約10∽20℃），這個(gè)數(shù)值對(duì)電子的熱可靠性是非?？捎^的。例如，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，民航的電子設(shè)備每降低1℃，其失效率將下降4%，可見(jiàn)溫升的控制（熱設(shè)計(jì)）是十分重要的問(wèn)題。從而提高設(shè)備的可靠性。

2、這兩個(gè)溫度場(chǎng)分布圖同時(shí)都體現(xiàn)了同一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)元件分布較密集時(shí)，其溫度場(chǎng)分布呈不規(guī)則狀態(tài)，高溫區(qū)和低溫區(qū)無(wú)法確定。因此，在PCB板布局時(shí)應(yīng)充分注意功耗元件密集區(qū)，此處應(yīng)盡可能不放或少放熱敏感元件。

3、有限元分析中的對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)于不同的元件值不同，而且如果僅用點(diǎn)測(cè)結(jié)果來(lái)計(jì)算會(huì)使ｈ值偏小，所以要作一些修正。把功耗大的ｈ值調(diào)用稍大，再把計(jì)算與測(cè)量結(jié)果對(duì)比，不斷調(diào)整ｈ值，直到基本符合為止。

4、在不同的溫度場(chǎng)分布中，雖然所顯示的顏色是一樣的，但同一顏色所表示的溫度值不一樣，它們是用來(lái)表明高溫區(qū)到低溫區(qū)的趨勢(shì)。

5、邊界條件也很重要，在建模時(shí)給定的邊界條件要確保正確。

3.3 三維溫度場(chǎng)實(shí)例分析

PCB板上有三個(gè)芯片，布局、所有參數(shù)同2。

4、結(jié)論與分析

1、從表面上看三維溫度場(chǎng)模擬結(jié)果不如兩維的理想，實(shí)際上并不是如此。在三維模擬中所指示的溫度是元件芯片位置，此處溫度實(shí)際上就比元件表面溫度高。所以，布局2的模擬結(jié)果是合理的。

2、三維模型更復(fù)雜。為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，芯片材料可以等同看成是由三層不同材料構(gòu)成，以簡(jiǎn)化模型。

3、三維模型的建立以及結(jié)果的處理都要耗很大的精力和時(shí)間，而且對(duì)材料和結(jié)構(gòu)要求要比二維詳細(xì)和具體。雖然三維模擬能得到更多的信息，但二維也可以快速的得到大致的溫度場(chǎng)分布情況。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的實(shí)際情況決定選用這兩種方式。