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。% E" @( O- t% |3 q2 [

2 ^+ H5 T3 J- A4 R% b, |; h' t　　关键词：PCB板 温度场 有限元 优化设计 可靠性

1、引言
* I: t* }2 f' }3 O, z' D　　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。
3 u) S. \( P" [5 k0 e0 J2 p, U6 D! e
4 J. H, W$ ]# r% ~3 p  _　　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。1 Q0 Z  J. h$ o) x& _% W

$ b* j4 o  Z& M7 y) X, m　　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
$ t, X  c: f% y' R6 o' k$ e2.1热传导1 H" |$ @; k* x9 L
　　傅立叶定律（又称导热基本定律）：                    （1）
, d" _+ _' \5 S4 @& Z　　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。- p$ E9 e# q. z7 L- j9 h; t0 o" j
  e5 V, ^1 t/ c6 c& a( {7 ~
2.2表面热对流" w4 A8 U( T9 j. L; A4 ]( }4 J
　　表面积为Ａ，传递热量Ｑ时, ,当表面与环境的温差为Ｔw-Ｔf时* U+ Z/ u9 z( ~
    Ｑ=ｈＡ(Ｔw-Ｔf)                                                 (2)
0 d7 j( }0 x$ p　　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。
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　　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：
7 o3 t6 H. A' e; g$ ]8 V    其中：P为功耗，V为元件的体积: [! ~' Y* y6 s8 D/ R/ Y/ R* N2 o4 X
2.3 ANSYS有限元热模拟流程
9 b+ g- {1 f, I% o* S* k: o　　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
  _2 L2 K3 x- d/ S$ V- p3.1 二维温度场实例分析  * u) a. u' ?! R# U8 {4 q
                        

　　布局1：Chip1 ，Chip2并排一侧边，Chip3紧靠Chip1一侧。$ }3 ^6 K# ]  o/ p+ G$ E. m8 c% N6 n9 L
　　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℃。 3 i8 s  d, G% E

1 g8 R' ^4 Q$ ]# r& O( t2 h2 _3.2比较分析
$ p! f" @# ?; c　　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。
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0 C) o" u) J4 Q, H　　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。+ e0 q, ^# V# S0 s: |$ s

1 |' p7 u2 n4 d! l　　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.
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　　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。
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7 H  r% |3 b5 f7 \　　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。) Q: C( A" c7 g
3.3 三维温度场实例分析
- Y5 j! r5 a2 i5 Z" z' s   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/ I5 b( ^( Q; A
　　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。
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　　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。
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- T; g- P+ V& U/ y& V4 p- e& J　　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。