基于有限元的PCB板上關(guān)鍵元件熱可靠性分析

摘要：電子設備不斷地微型化，熱設計就顯得越來越重要。體積小、布局緊湊，導致元件溫升越高，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)，運用ANSYS有限元軟件分析印刷電路板（PCB）上關(guān)鍵元件工作時的溫度場分布，確定PCB的高溫區(qū)和低溫區(qū)。并通過實例計算不同布局的PCB的溫度場，通過比較得出較為合理布局方式。優(yōu)化布局，降低PCB板的最高溫度，提高系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：PCB板 溫度場 有限元 優(yōu)化設計 可靠性

1、引言
電子設備的持續(xù)小型化使得PCB板的布局越來越緊湊，然而不合理的PCB板布局嚴重影響了板上電子元器件的熱傳遞通路，從而導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板的溫升問題上升到一定的高度。據(jù)報道,電子設備的失效因素, 有55%是因為溫度超過規(guī)定值引起的,因此,對電子設備而言,即使是降低1℃,也將使其設備的失效率降低一個可觀的量值。例如,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,民航的電子設備每降低1℃,其失效率將下降4%,可見溫升的控制(熱設計)是十分重要的問題。

PCB板上熱量主要來源于功耗元件，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、對流和輻射的形式散發(fā)到周圍的介質(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分布，做到合理布局。

在進行熱模擬時，通常采用有限元或有限差分的方法解熱傳輸和流體流動方程。本文采用有限元分析。有限元對解復雜的幾何形狀更準確,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。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
傅立葉定律（又稱導熱基本定律）： （1）
式中：Q為時間t內(nèi)的傳熱量，K為熱傳導率，T為溫度，A為平面面積，T為兩平面之間的距離。

2.2表面熱對流
表面積為Ａ，傳遞熱量Ｑ時, ,當表面與環(huán)境的溫差為Ｔw-Ｔf時
Ｑ=ｈＡ(Ｔw-Ｔf) (2)
ｈ為表面對流換熱系數(shù).通過這個公式可以計算對流換熱系數(shù)。在本文中自然對流換熱系數(shù)主要通過這個公式來計算。這里PCB板的熱輻射可以不作考慮，故忽略。

同時這里值得提出的是PCB板上功耗元件的生熱率問題，功率芯片的耗散的功率在ANSYS中用生熱率HGEN來表示，其計算公式如下：
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)建實體模型。在創(chuàng)建實體模型過程中，由于電子元件結(jié)構(gòu)復雜，為了網(wǎng)格劃分方便及結(jié)果的準確性，可以簡化實體模型，選用適合不規(guī)則形狀單元劃分的SOLID87 10節(jié)點單元。

3、有限元求解溫度場
3.1 二維溫度場實例分析

布局1：Chip1 ，Chip2并排一側(cè)邊，Chip3緊靠Chip1一側(cè)。
最高溫度為101.5℃，最低溫度為92.7℃。

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

3.2比較分析
1、比較兩個最終模擬溫度場的分析結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)布局2的最高溫度和最低溫度均得到很大程度的降低（約10∽20℃），這個數(shù)值對電子的熱可靠性是非常可觀的。例如,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,民航的電子設備每降低1℃,其失效率將下降4%,可見溫升的控制(熱設計)是十分重要的問題。從而提高設備的可靠性。

2、這兩個溫度場分布圖同時都體現(xiàn)了同一個問題：當元件分布較密集時，其溫度場分布呈不規(guī)則狀態(tài)，高溫區(qū)和低溫區(qū)無法確定。因此，在PCB板布局時應充分注意功耗元件密集區(qū)，此處應盡可能不放或少放熱敏感元件。

3、有限元分析中的對流換熱系數(shù)對于不同的元件值不同,而且如果僅用點測結(jié)果來計算會使ｈ值偏小,所以要作一些修正.把功耗大的ｈ值調(diào)用稍大,再把計算與測量結(jié)果對比,不斷調(diào)整ｈ值，直到基本符合為止.

4、在不同的溫度場分布中，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，它們是用來表明高溫區(qū)到低溫區(qū)的趨勢。

5、邊界條件也很重要,在建模時給定的邊界條件要確保正確。
3.3 三維溫度場實例分析
PCB板上有三個芯片，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模擬結(jié)果不如兩維的理想，實際上并不是如此。在三維模擬中所指示的最高溫度是元件芯片位置,此處溫度實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、三維模型更復雜。為了模擬結(jié)果的準確性，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間，而且對材料和結(jié)構(gòu)要求要比二維詳細和具體。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分布情況。所以，在實際應用中，可以根據(jù)具體的實際情況決定選用這兩種方式。

[1].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.