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标题: 基于有限元的PCB板上关键元件热可靠性分析 [打印本页]

作者: ononsiiii 时间: 2020-5-28 20:00
标题: 基于有限元的PCB板上关键元件热可靠性分析

摘要：电子设备不断地微型化，热设计就显得越来越重要。体积小、布局紧凑，导致元件温升越高，从而大大降低系统的可靠性。为此文章从热传输原理出发，运用ANSYS有限元软件分析印刷电路板（PCB）上关键元件工作时的温度场分布，确定PCB的高温区和低温区。并通过实例计算不同布局的PCB的温度场，通过比较得出较为合理布局方式。优化布局，降低PCB板的最高温度，提高系统的可靠性。7 [" s% C& T, L0 f: z" Q7 ]: B
$ s! Q3 Q# _5 V: D1 p. W3 F+ D
　　关键词：PCB板温度场有限元优化设计可靠性

1、引言 C- z( P& [7 ]0 q* J7 @
　　电子设备的持续小型化使得PCB板的布局越来越紧凑，然而不合理的PCB板布局严重影响了板上电子元器件的热传递通路，从而导致电子元器件的可靠性因温度升高而失效，也即系统可靠性大大降低。这也使得PCB板的温升问题上升到一定的高度。据报道,电子设备的失效因素, 有55%是因为温度超过规定值引起的,因此,对电子设备而言,即使是降低1℃,也将使其设备的失效率降低一个可观的量值。例如,统计数据表明,民航的电子设备每降低1℃,其失效率将下降4%,可见温升的控制(热设计)是十分重要的问题。
9 w) H* \- h( G5 p3 g+ a' b% h7 Y
　　PCB板上热量主要于功耗元件，如：变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。它们的功耗主要以热传导、对流和辐射的形式散发到周围的介质中，只有小部分以电磁波形式散出。所以，若要提高PCB板电子元件的稳定性、可靠性，必须清楚的了解PCB板上关键元件的功耗及其板上的温度场分布，做到合理布局。
* v+ s# z9 G7 X5 y% n2 x- D6 i1 `+ e \/ r1 N) Z
　　在进行热模拟时，通常采用有限元或有限差分的方法解热传输和流体流动方程。本文采用有限元分析。有限元对解复杂的几何形状更准确,允许在有些区域加密网格,如板或系统的部份区域比其他部份更为感兴趣,就可以在这些区域把网格加密,而其他区域网格稀疏一点。但是网格加密不能从一种密度直接跳跃到另一种密度,只许逐渐加密。

2、基本传热原理及ANSYS有限元热模拟流程
9 L0 [$ r2 i7 f1 l2.1热传导" Q3 N6 ~. y/ O7 v
　　傅立叶定律（又称导热基本定律）：                （1）) O2 F, Y. j0 T7 ?6 o5 G
　　式中：Q为时间t内的传热量，K为热传导率，T为温度，A为平面面积，T为两平面之间的距离。
/ i& u: j7 A- ^1 K6 }
! B% \$ [# y- b2 w( S, h2.2表面热对流
; M7 a/ K+ d/ t, N. u  P, j" W　　表面积为Ａ，传递热量Ｑ时, ,当表面与环境的温差为Ｔw-Ｔf时0 s+ P; [3 e2 Z# A+ ^5 V& S& \
Ｑ=ｈＡ(Ｔw-Ｔf)                                              (2)
4 N; S6 R4 ?9 h7 ?& q　　ｈ为表面对流换热系数.通过这个公式可以计算对流换热系数。在本文中自然对流换热系数主要通过这个公式来计算。这里PCB板的热辐射可以不作考虑，故忽略。+ Y) `0 U- R8 w6 S& K9 p- F( }+ T
, E, b/ H2 ]2 T5 r
　　同时这里值得提出的是PCB板上功耗元件的生热率问题，功率芯片的耗散的功率在ANSYS中用生热率HGEN来表示，其计算公式如下：
% f7 K$ t7 k" l 其中：P为功耗，V为元件的体积
) w# R7 O8 X) l/ u& j2.3 ANSYS有限元热模拟流程* D2 f2 n% `" s, S' Y* s
　　本文通过ANSYS软件创建几何模型，以底向上和自顶向下方法创建实体模型。在创建实体模型过程中，由于电子元件结构复杂，为了网格划分方便及结果的准确性，可以简化实体模型，选用适合不规则形状单元划分的SOLID87 10节点单元。

3、有限元求解温度场
9 T$ D4 r1 ~, V# v3.1 二维温度场实例分析
+ e( _$ v0 V4 v$ z6 d7 h

　　布局1：Chip1 ，Chip2并排一侧边，Chip3紧靠Chip1一侧。2 d+ B4 }6 f. _% l# E% L$ t6 F
　　最高温度为101.5℃，最低温度为92.7℃。

　　布局2：Chip1 ，Chip2并排一侧边，Chip3在PCB板另一侧。最高温度为90℃，最高温度为70.7℃。 * ]- e8 g$ K, p" R
& {- E! D# ]& |6 R
3.2比较分析
# ?- N- M# t% Z5 g; P9 b　　1、比较两个最终模拟温度场的分析结果，可以明显发现布局2的最高温度和最低温度均得到很大程度的降低（约10∽20℃），这个数值对电子的热可靠性是非常可观的。例如,统计数据表明,民航的电子设备每降低1℃,其失效率将下降4%,可见温升的控制(热设计)是十分重要的问题。从而提高设备的可靠性。- P0 b8 u$ e9 i5 |* f4 R& y3 S$ g
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　　2、这两个温度场分布图同时都体现了同一个问题：当元件分布较密集时，其温度场分布呈不规则状态，高温区和低温区无法确定。因此，在PCB板布局时应充分注意功耗元件密集区，此处应尽可能不放或少放热敏感元件。: F5 @( A- J$ |% Y

6 u- G  R& _( r6 E- i　　3、有限元分析中的对流换热系数对于不同的元件值不同,而且如果仅用点测结果来计算会使ｈ值偏小,所以要作一些修正.把功耗大的ｈ值调用稍大,再把计算与测量结果对比,不断调整ｈ值，直到基本符合为止.: U: U6 e& X8 Q# p/ n: u

9 w# f. y, ^2 J* e　　4、在不同的温度场分布中，虽然所显示的颜色是一样的，但同一颜色所表示的温度值不一样，它们是用来表明高温区到低温区的趋势。
# ?0 y8 N) D6 x% g1 i1 u
; U4 D0 D4 N: Z5 W5 ?" \　　5、边界条件也很重要,在建模时给定的边界条件要确保正确。
4 p$ S  ^% q3 f# r. z' B3.3 三维温度场实例分析
+ r: h& x0 m3 i PCB板上有三个芯片，布局、所有参数同2。
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4、结论与分析' p! A& O0 G* f" M
　　1、从表面上看三维温度场模拟结果不如两维的理想，实际上并不是如此。在三维模拟中所指示的最高温度是元件芯片位置,此处温度实际上就比元件表面温度高。所以，布局2的模拟结果是合理的。
4 S" z4 l% W+ e1 Y. X6 F8 \/ {' g' z7 i9 ^, \. Y$ u- y* S
　　2、三维模型更复杂。为了模拟结果的准确性，芯片材料可以等同看成是由三层不同材料构成，以简化模型。: k) u1 C8 k/ x/ k. N2 {4 D

& D; w: x% V/ a3 |' G- d! N　　3、三维模型的建立以及结果的处理都要耗很大的精力和时间，而且对材料和结构要求要比二维详细和具体。虽然三维模拟能得到更多的信息，但二维也可以快速的得到大致的温度场分布情况。所以，在实际应用中，可以根据具体的实际情况决定选用这两种方式。

作者: zhishide7 时间: 2020-5-28 20:10
有限元对解复杂的几何形状更准确,允许在有些区域加密网格,如板或系统的部份区域比其他部份更为感兴趣,就可以在这些区域把网格加密,而其他区域网格稀疏一点。

作者: 232wwwws 时间: 2020-5-29 19:37
若要提高PCB板电子元件的稳定性、可靠性，必须清楚的了解PCB板上关键元件的功耗及其板上的温度场分布，做到合理布局。

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