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(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板的最高溫度,提高系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞:PCB板 溫度場(chǎng) 有限元 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(guān)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)。
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(gè)最終模擬溫度場(chǎng)的分析結(jié)果,可以明顯發(fā)現(xiàn)布局2的最高溫度和最低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^(guān)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最高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。
參考文獻(xiàn):
[1].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
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