基于有限元的PCB板上关键元件热可靠性分析

　　1、引言

　　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。

　　PCB板上热量主要来源于功耗元件，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。

　　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

　　2.1热传导

　　傅立叶定律(又称导热基本定律)：

　　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。

　　2.2表面热对流

　　表面积为A，传递热量Q时, ,当表面与环境的温差为Tw-Tf时

　　Q=hA(Tw-Tf) (2)

　　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。

　　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：

　　其中：P为功耗，V为元件的体积

　　2.3 ANSYS有限元热模拟流程

　　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。ANSYS有限元热模拟流程如图1所示：

　　3、有限元求解温度场

　　3.1 二维温度场实例分析

　　某一PCB板(115mm*75mm*)上有三个芯片，参数如下：

　　布局1：Chip1 ，Chip2并排一侧边，Chip3紧靠Chip1一侧。

　　最高温度为101.5℃，最低温度为92.7℃。模拟温度场分布结果如图2所示：

　　图2

　　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℃。模拟温度场分布结果如图3所示：

　　图3

　　3.2比较分析

　　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。

　　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。

　　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.

　　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。

　　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。

　　3.3 三维温度场实例分析

　　PCB板上有三个芯片，布局、所有参数同2。模拟温度场分布结果如图4所示：

　　4、结论与分析

　　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。

　　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。

　　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。