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基于有限元的PCB板上关键元件热可靠性分析-

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发表于 2013-3-28 23:55:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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<A href="http://www.greatpcba.com">电路板</A>(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。
  关键词:PCB板 温度场 有限元 优化设计 可靠性
1、引言<BR>  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<BR>2.1热传导<BR>  傅立叶定律(又称导热基本定律):                    (1)<BR>  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<BR>  表面积为A,传递热量Q时, ,当表面与环境的温差为Tw-Tf时<BR>    Q=hA(Tw-Tf)                                                 (2)<BR>  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:<BR>     其中:P为功耗,V为元件的体积
2.3 ANSYS有限元热模拟流程<BR>  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<BR>3.1 二维温度场实例分析  
  布局1:Chip1 ,Chip2并排一侧边,Chip3紧靠Chip1一侧。<BR>  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℃。
3.2比较分析<BR>  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。<BR>3.3 三维温度场实例分析<BR>   PCB板上有三个芯片,布局、所有参数同2。
4、结论与分析<BR>  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。</td>
               
               
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