我们从2011年坚守至今,只想做存粹的技术论坛。  由于网站在外面,点击附件后要很长世间才弹出下载,请耐心等待,勿重复点击不要用Edge和IE浏览器下载,否则提示不安全下载不了

 找回密码
 立即注册
搜索
查看: 870|回复: 0

基于有限元的PCB板上关键元件热可靠性分析-

[复制链接]

该用户从未签到

1万

主题

1292

回帖

2万

积分

管理员

积分
29577

社区居民最爱沙发原创达人社区明星终身成就奖优秀斑竹奖宣传大使奖特殊贡献奖

QQ
发表于 2013-3-28 23:55:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?立即注册

×
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>
               
               
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

每日签到,有金币领取。


Copyright ©2011-2024 NTpcb.com All Right Reserved.  Powered by Discuz! (NTpcb)

本站信息均由会员发表,不代表NTpcb立场,如侵犯了您的权利请发帖投诉

( 闽ICP备2024076463号-1 ) 论坛技术支持QQ群171867948 ,论坛问题,充值问题请联系QQ1308068381

平平安安
TOP
快速回复 返回顶部 返回列表