計算模塊印制電路板的熱設(shè)計和熱仿真分析

引言

近年來,隨著先進制造技術(shù)在電子設(shè)備生產(chǎn)過程中的應(yīng)用,電子設(shè)備已經(jīng)向便攜式、集成化、高密度和高運算速度方向發(fā)展,印制電路板(PCB)上元器件的數(shù)量和集成度不斷增加,功率損失也相應(yīng)增加,同時導(dǎo)致單位體積電子元器件的發(fā)熱量增加。鑒于電子設(shè)備的高度集成性、計算快速性和運行穩(wěn)定性等要求,對電子設(shè)備的熱設(shè)計要求也越來越高。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,55%的電子設(shè)備失效與過高的熱環(huán)境應(yīng)力有關(guān)。熱問題已成為影響設(shè)備使用性能和運行可靠性的關(guān)鍵因素之一。

PCB作為電子設(shè)備的重要組成部分,其設(shè)計合理與否直接影響設(shè)備的性能高低,嚴重時甚至?xí)p壞電子設(shè)備。因此,對PCB上的元器件進行熱仿真分析就顯得十分必要。

電子設(shè)備的熱分析通常分為系統(tǒng)級、板級及封裝級3個層次。本文研究對象為某電子設(shè)備計算模塊印制電路板,屬于板級熱分析的范疇?，F(xiàn)首先建立某電子設(shè)備計算模塊印制電路板的三維模型,然后依據(jù)熱傳學(xué)理論,使用有限元分析軟件ANsysworkbench對三維模型進行熱仿真分析,獲得計算模塊印制電路板的溫度場,根據(jù)熱分析結(jié)果為印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及布局提供參考。

1建立印制電路板的三維模型

1.1模型的簡化假設(shè)

實際的計算模塊印制電路板是由元器件和印制電路板基板組成,為了能夠進行熱分析,必須對PCB結(jié)構(gòu)進行合理簡化,使其成為仿真分析模型。

首先,對于PCB上外形結(jié)構(gòu)小的電阻、片式電容,由于其體積小、熱容量小,產(chǎn)生的熱量對整個PCB的溫度分布影響不大,在計算時可將其忽略。其次,對于PCB上外形結(jié)構(gòu)較大的發(fā)熱元器件,由于其封裝和材料性質(zhì)不同,必須對其結(jié)構(gòu)進行簡化:對于外形結(jié)構(gòu)規(guī)則的器件,在熱分析時忽略其引腳,并用長方體或圓柱體代替。最后,印制電路板基板通常是復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu),在建模時主要考慮其層數(shù)以及基板上金屬布線對PCB性能的影響,且忽略板上各種小的圓角、倒角及孔洞等細微結(jié)構(gòu)。

本文的計算模塊印制電路板主要包括2個FPGA(型號xC7K160TFFG676)、2個開關(guān)電源(型號LTM4601),共兩類4個發(fā)熱元器件。一塊PCB基板采用的是絕緣材料FR4并覆銅,6層板結(jié)構(gòu),導(dǎo)熱系數(shù)為正交各向異性導(dǎo)熱系數(shù)(分x、Y、Z三個方向),其他器件均忽略。PCB上各個組成部件名稱、尺寸、功率以及生熱率如表1所示,材料參數(shù)如表2所示。

1.2建立熱仿真分析模型

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù),本文首先利用Nx8.0軟件設(shè)計了兩種PCB的三維模型,一種是將兩類4個發(fā)熱器件并列布置,如圖1所示。另一種是將兩類4個發(fā)熱器件交叉布置,如圖2所示。

圖1并列布置方式

圖2交叉布置方式

2印制電路板的熱仿真分析

2.1傳熱學(xué)理論

在熱力學(xué)中,能量守恒定律亦稱為熱力學(xué)第一定律,即:

式中,Q為熱量:w為功:AU為系統(tǒng)內(nèi)能:AKE為系統(tǒng)動能:APE為系統(tǒng)勢能。

對于多數(shù)工程傳熱問題:AKE=APE=0,通常認為沒有做功:w=0,則Q=AU。

在穩(wěn)態(tài)熱分析情況下:Q=AU=0:

在瞬態(tài)熱分析情況下:g=dU/dl。

熱傳導(dǎo)的控制方程為:

2.2熱仿真分析

基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式。在ANSYSworkbench中可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種熱分析,常見的載荷共6種:溫度、熱流率、對流、熱流、熱生成率、熱輻射[6]。

本文熱分析只考慮其溫度、對流和熱生成率3種載荷。在ANSYSworkbench中對PCB進行熱仿真分析時,首先對模型進行網(wǎng)格劃分,其結(jié)果為:單元數(shù)198108,節(jié)點數(shù)248283,然后施加環(huán)境溫度載荷為25℃,并考慮PCB基板上下底面與周圍空氣形成的對流。當(dāng)印制電路板上器件的溫度超過85℃時,會產(chǎn)生斷電保護。因此,在工作過程中希望印制電路板溫度不會超過85℃。由于設(shè)備長時間工作,電路板持續(xù)發(fā)熱,屬于穩(wěn)態(tài)熱分析。熱仿真分析時分別計算在不同散熱條件(自然條件、通風(fēng)條件、散熱風(fēng)扇)下[7],電路板兩種布置方式的穩(wěn)態(tài)溫度分布,熱分析結(jié)果如圖3~圖8所示。

圖3并列(自然條件)

圖4并列(通風(fēng)條件)

圖5并列(散熱風(fēng)扇)

圖6交叉(自然條件)

圖7交叉(通風(fēng)條件)

圖8交叉(散熱風(fēng)扇)

3熱仿真結(jié)果分析

在不同工況和不同布置方式下,印制電路板工作時各元器件的熱分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的熱分析結(jié)果,可獲得不同布置方式和散熱條件下的印制電路板的溫度分布曲線,如圖9所示。

通過分析表3和圖9的數(shù)據(jù)可得:

(1)在自然條件和通風(fēng)條件好的散熱情況下,印制電路板上的最高溫度依次為105.23℃、103.04℃、87.05℃、85.297℃,均超過了設(shè)備長期運行時的允許溫度,不能滿足使用要求。改善散熱條件,在有散熱風(fēng)扇的情況下,電路板上的最高溫度依次為77.249℃、75.216℃,均沒有超過設(shè)備長期工作時的允許溫度,滿足使用要求。

(2)在相同的工況條件下,發(fā)熱元器件并列布置方式的最高溫度均低于交叉布置方式,兩種布置方式的溫差約為2℃。

(3)在有散熱風(fēng)扇條件下,發(fā)熱元器件并列布置方式的最高溫度與最低溫度差為41.73℃,低于交叉布置方式的最高溫度與最低溫度差45.3℃。并列布置方式的電路板由溫差引起的變形小于交叉布置方式。

4結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANsYsworkbench對計算模塊印制電路板進行熱分析,結(jié)果表明:

(1)不管是并列布置方式還是交叉布置方式,在自然和通風(fēng)條件好的散熱工況下,電路板上的最高溫度均超過了工作時的允許溫度,不能滿足設(shè)備長期運行要求。當(dāng)有散熱風(fēng)扇時,電路板上的最高溫度均低于運行的允許溫度,滿足設(shè)備長期運行要求。在設(shè)備設(shè)計時,需要加裝風(fēng)扇進行散熱。

(2)在相同的工況條件下,發(fā)熱元器件不同的布置方式會產(chǎn)生不同的溫度分布,并列布置方式下的最高溫度、溫差、變形均小于交叉布置方式。因此在電路板設(shè)計時選擇發(fā)熱元器件并列布置的方式。

本文通過對印制電路板進行熱仿真分析,可以為電路板的設(shè)計提供一定的理論依據(jù),同時為設(shè)備的散熱提供了參考,對后期設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。