基于Icepak的板級(jí)電路的熱設(shè)計(jì)及熱仿真分析

王婷，鄒穎，李哲，楊曉慶

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065)

0 引言

近年來，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，小型化、集成化是設(shè)備、元件器等電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。電子元器件體積不斷縮小但功率密度卻快速增加，導(dǎo)致電子產(chǎn)品工作功耗和發(fā)熱量的急劇增大；同時(shí)印刷電路板(PCB)上的元器件安裝朝著高密度方向發(fā)展，這也使得元器件的散熱空間越來越小，元器件的熱流密度急劇增高[1]。元器件過熱會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品的性能下降或變得不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致電子產(chǎn)品損壞，直接影響電子產(chǎn)品的可靠性[2]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電子產(chǎn)品故障有55%是與過熱環(huán)境有關(guān)[3]。PCB是電子產(chǎn)品的重要組成部分。其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響設(shè)備的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞電子產(chǎn)品[3]。因此，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)PCB板進(jìn)行熱設(shè)計(jì)變得越來越重要已然不能忽略。

熱設(shè)計(jì)主要包括傳統(tǒng)方法和仿真計(jì)算方法。傳統(tǒng)方法是指設(shè)計(jì)人員憑借過去的經(jīng)驗(yàn)對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，但是經(jīng)驗(yàn)方法具有很大的主觀性，且很難獲取定量的熱設(shè)計(jì)結(jié)果。一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的熱設(shè)計(jì)不合理的情況，依照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—修改方案—再實(shí)驗(yàn)的方法，生產(chǎn)周期將很長，過程也很復(fù)雜。仿真計(jì)算方法指使用計(jì)算軟件構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)值模型，并通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示來獲得電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)結(jié)果。熱仿真方法能夠在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的初始階段得到產(chǎn)品熱數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)熱數(shù)據(jù)修改設(shè)計(jì)，從而節(jié)省研發(fā)時(shí)間并降低了開發(fā)成本。熱仿真方法是目前國內(nèi)外電子產(chǎn)品可靠性分析的主要分析方法之一[4]。

本文以某電路板為例展開熱仿真分析，對(duì)該板級(jí)電路建立了三維熱仿真分析模型。然后根據(jù)熱傳學(xué)理論，利用熱仿真軟件Icepak對(duì)板級(jí)電路進(jìn)行仿真分析，得到了電路板溫度的分布情況。通過對(duì)熱仿真結(jié)果的分析，為板級(jí)電路布局設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)電路板的布局設(shè)計(jì)有著重要參考價(jià)值。

1 建立板級(jí)電路三維有限元模型

1.1 模型簡化假設(shè)

實(shí)際的板級(jí)電路是由PCB板和其上的元器件組成的，對(duì)正常工作情況下的板級(jí)電路進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，需要合理簡化板級(jí)電路的結(jié)構(gòu)讓其變成計(jì)算機(jī)仿真分析模型[5]。合理簡化具有特定物理和幾何特征的板級(jí)電路是獲得正確熱仿真結(jié)果的重點(diǎn)[6-7]。首先對(duì)表面貼裝元器件進(jìn)行簡化。功耗大的元器件將對(duì)溫度場產(chǎn)生很大的影響，因此不管大小如何都應(yīng)留下；幾乎不產(chǎn)生功耗的元器件，如果尺寸較大則會(huì)對(duì)流場產(chǎn)生影響，所以也要留下。這部分元器件的封裝結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)各異，所以必須簡化其結(jié)構(gòu)。具有常規(guī)形狀的元器件，在熱仿真過程中忽略引腳，使用長方體或圓柱體予以替換。除此以外，PCB上的片狀電容、電阻具有小的外形結(jié)構(gòu)和小的熱容量，產(chǎn)生的熱量對(duì)PCB的溫度場分布影響很小，因此在熱仿真時(shí)可以忽略不計(jì)。

對(duì)于PCB，建模時(shí)主要考慮層數(shù)和其上的金屬布線對(duì)PCB性能的影響。對(duì)于有金屬布線以及多層的PCB，其材料參數(shù)是各向異性的。對(duì)于各向異性材料的PCB，可以使用平均材料參數(shù)的方法來簡化。并且忽略PCB板上各種小圓角、倒角和孔洞等結(jié)構(gòu)[8]。

1.2 建立板級(jí)電路熱仿真分析模型

在本文中，板級(jí)電路熱仿真分析模型的建立和熱仿真使用熱仿真軟件ANSYS Icepak完成。ANSYS Icepak是針對(duì)電子產(chǎn)品熱分析的專業(yè)分析軟件，可以實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的建模、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算和后處理等工作。在建立熱仿真分析模型的過程中，對(duì)電路板進(jìn)行了合理簡化，可利用ANSYS的實(shí)體建模功能建立了簡單的板級(jí)電路熱仿真分析模型。本文仿真計(jì)算的板級(jí)電路主要包括基板PCB和一個(gè)發(fā)熱元器件U1，圖1為該板級(jí)電路實(shí)體模型圖。其中，PCB是6層板，尺寸為55mm×42mm×1.8mm，PCB材料為絕緣材料FR4并覆銅。根據(jù)上一節(jié)模型簡化假設(shè)，除了發(fā)熱元器件U1其他元器件均可忽略。建模時(shí)將元器件定義為三維塊體，材料選擇在Icepak中自定義的封裝材料。表1列出了各個(gè)組件的名稱、尺寸、功率和生熱率。

圖1 板級(jí)電路實(shí)體模型

表1 板級(jí)電路各組件名稱、尺寸、功率及生熱率

2 Icepak熱仿真分析

2.1 傳熱學(xué)理論

在熱力學(xué)中，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律也稱為熱力學(xué)第一定律[9]，即：

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中，Q為熱量；W為功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動(dòng)能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。

對(duì)于多數(shù)工程傳熱問題：ΔKE=ΔPE=0，通常認(rèn)為沒有做功：W=0，則Q=ΔU。

在穩(wěn)態(tài)熱分析情況下：Q=ΔU=0；

在瞬態(tài)熱分析情況下：q=dU/dt。

熱傳導(dǎo)的控制方程為[9]：

(2)

2.2 熱仿真分析

在ANSYS Icepak中對(duì)PCB進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，首先對(duì)板級(jí)電路熱仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后選擇六面體主導(dǎo)網(wǎng)格(Mesher-HD)進(jìn)行全局計(jì)算，周圍采用粗略網(wǎng)格設(shè)置，因PCB板厚度方向尺寸較小，劃分網(wǎng)格時(shí)在此方向采用精細(xì)網(wǎng)格設(shè)置。邊界條件的設(shè)定：計(jì)算區(qū)域6個(gè)面設(shè)定為開口(Openings)類型，選擇自然對(duì)流模型Bouss-inesq approximation。根據(jù)ANSYS Icepak針對(duì)設(shè)置的參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算的雷諾數(shù)和瑞利數(shù)，流態(tài)選擇Turbulent湍流，使用Zero equation零方程模型。設(shè)置重力方向與求解初始化速度0.15 m/s，并開啟輻射換熱方式。環(huán)境溫度設(shè)為20℃。設(shè)置求解器的壓力項(xiàng)和動(dòng)量項(xiàng)迭代因子、迭代步數(shù)及收斂殘差就可開始仿真。

此次主要研究發(fā)熱元器件U1在PCB板不同位置時(shí)對(duì)板級(jí)電路溫度場的影響。令U1從PCB板左上角開始移動(dòng)，為了更好地描述，在PCB板上建立坐標(biāo)系，圖2為該板級(jí)電路坐標(biāo)圖。把PCB板左上角設(shè)置為原點(diǎn)，橫向?yàn)閄軸，縱向?yàn)閅軸。當(dāng)發(fā)熱元器件U1在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，記為位移(0，0)，即發(fā)熱元器件U1在PCB板上沿X 方向移動(dòng)了0mm，沿Y方向移動(dòng)了0mm。U1沿X方向時(shí)，每次移動(dòng)10mm；沿Y方向位移時(shí)，每次移動(dòng)5mm。(15，20)表示發(fā)熱元器件U1從左上角的坐標(biāo)原點(diǎn)開始沿X方向移動(dòng)了15mm，沿Y方向移動(dòng)了20mm。

圖2 板級(jí)電路坐標(biāo)圖

本文對(duì)元器件U1在PCB基板上不同位置時(shí)進(jìn)行熱仿真分析，圖3～5為位移(0，5)、(10，25)、(30，30)、(20，15)時(shí)，板級(jí)電路的溫度分布圖。

圖3 元器件U1位移(0，5)

圖4 元器件U1位移(10，25)

圖5 元器件U1位移(30，30)

圖6 元器件U1位移(20，15)

3 熱仿真結(jié)果分析

當(dāng)發(fā)熱元器件U1在PCB不同位置時(shí)，板級(jí)電路的最高溫度值如表2所示。為了方便看出U1在PCB不同位置時(shí)對(duì)板級(jí)電路的影響，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，整理出了如圖7、圖8所示的折線圖。圖7的橫向坐標(biāo)軸是U1在PCB基板上沿X方向的位移量，縱坐標(biāo)軸是板級(jí)電路的最高溫度。圖8的橫坐標(biāo)軸是U1在PCB基板上沿Y方向的位移量，縱向坐標(biāo)軸是板級(jí)電路的最高溫度。

表2 板級(jí)電路最高溫度

圖7 元器件沿X方向位移時(shí)溫度曲線

圖8 元器件沿Y方向位移時(shí)溫度曲線

由圖7、圖8可以看出，元器件在Y方向位置保持不變時(shí)，沿x方向移動(dòng)0～25mm時(shí)，板級(jí)電路的最高溫度逐漸降低；而后隨著位移數(shù)值的增大，沿x方向移動(dòng)25～40mm，板級(jí)電路的最高溫度逐漸增加。元器件在x方向位置保持不變時(shí)，沿y方向移動(dòng)0～15mm時(shí)，板級(jí)電路的溫度逐漸降低；而后隨著位移數(shù)值隨之增大，沿y方向移動(dòng)15～30mm，板級(jí)電路的最高溫度逐漸增大。從上述分析可以知道，當(dāng)發(fā)熱元器件U1在PCB基板邊緣時(shí)，板級(jí)電路的最高溫度最高。在U1向PCB中心位置移動(dòng)過程中，電路板的最高溫度漸漸降低。U1在PCB中心位置時(shí)板級(jí)電路的最高溫度是最低的。U1在板級(jí)電路不同位置時(shí)，板級(jí)電路最高溫度最大相差約18.2℃。

4 結(jié)語

利用有限元分析軟件ANSYS Icepak，針對(duì)某板級(jí)電路建立了熱仿真分析模型，并基于有限元理論進(jìn)行了熱仿真分析，得到了板級(jí)電路的溫度場分布情況。通過對(duì)發(fā)熱元器件U1在板級(jí)電路上不同位置時(shí)進(jìn)行熱仿真分析，并比對(duì)分析熱仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論：在相同環(huán)境條件下﹐發(fā)熱元器件在PCB上不同位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的溫度分布﹐板級(jí)電路元器件的位置對(duì)板級(jí)電路的溫度有著重要影響。發(fā)熱元器件在PCB板的邊緣位置時(shí)，板級(jí)電路的最高溫度是最高的。隨著發(fā)熱元器件U1逐漸向板級(jí)電路的中心位置移動(dòng)，整個(gè)板級(jí)電路的最高溫度逐漸降低。U1在板級(jí)電路中心時(shí)的最高溫度﹑溫差時(shí)最小的，與U1在邊緣位置時(shí)的最高溫度最大相差18.2℃。因此設(shè)計(jì)電路板時(shí)，發(fā)熱元器件位置不可以過于靠近PCB板邊緣，避免板級(jí)電路溫度過高，防止溫度過高而導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生損壞。板級(jí)電路布局時(shí)，應(yīng)盡量將發(fā)熱元器件放在板級(jí)電路的中心位置，留出足夠的散熱空間以獲得較好的散熱效果。這將使得板級(jí)電路的最高溫度減小，并且整個(gè)PCB板溫度場的分布也將變得更加趨于平緩，從而減小了熱應(yīng)力的產(chǎn)生，提高了元件器和板級(jí)電路的熱可靠性。

本文通過對(duì)板級(jí)電路的熱仿真分析證明了發(fā)熱元器件在PCB板上的位置對(duì)板級(jí)電路的溫度有著重要影響。合理的布局可以降低板級(jí)電路的最高溫度，也將使得板級(jí)電路的溫度分布變得平緩，提高了板級(jí)電路的熱可靠性。這為板級(jí)電路的布局設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)﹐對(duì)板級(jí)電路的研發(fā)具有重要意義。