计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析

引言

近年来,随着先进制造技术在电子设备生产过程中的应用,电子设备已经向便携式、集成化、高密度和高运算速度方向发展,印制电路板(PCB)上元器件的数量和集成度不断增加,功率损失也相应增加,同时导致单位体积电子元器件的发热量增加。鉴于电子设备的高度集成性、计算快速性和运行稳定性等要求,对电子设备的热设计要求也越来越高。相关统计数据显示,55%的电子设备失效与过高的热环境应力有关。热问题已成为影响设备使用性能和运行可靠性的关键因素之一。

PCB作为电子设备的重要组成部分,其设计合理与否直接影响设备的性能高低,严重时甚至会损坏电子设备。因此,对PCB上的元器件进行热仿真分析就显得十分必要。

电子设备的热分析通常分为系统级、板级及封装级3个层次。本文研究对象为某电子设备计算模块印制电路板,属于板级热分析的范畴。现首先建立某电子设备计算模块印制电路板的三维模型,然后依据热传学理论,使用有限元分析软件ANsysworkbench对三维模型进行热仿真分析,获得计算模块印制电路板的温度场,根据热分析结果为印制电路板的结构设计及布局提供参考。

1建立印制电路板的三维模型

1.1模型的简化假设

实际的计算模块印制电路板是由元器件和印制电路板基板组成,为了能够进行热分析,必须对PCB结构进行合理简化,使其成为仿真分析模型。

首先,对于PCB上外形结构小的电阻、片式电容,由于其体积小、热容量小,产生的热量对整个PCB的温度分布影响不大,在计算时可将其忽略。其次,对于PCB上外形结构较大的发热元器件,由于其封装和材料性质不同,必须对其结构进行简化:对于外形结构规则的器件,在热分析时忽略其引脚,并用长方体或圆柱体代替。最后,印制电路板基板通常是复杂的多层结构,在建模时主要考虑其层数以及基板上金属布线对PCB性能的影响,且忽略板上各种小的圆角、倒角及孔洞等细微结构。

本文的计算模块印制电路板主要包括2个FPGA(型号xC7K160TFFG676)、2个开关电源(型号LTM4601),共两类4个发热元器件。一块PCB基板采用的是绝缘材料FR4并覆铜,6层板结构,导热系数为正交各向异性导热系数(分x、Y、Z三个方向),其他器件均忽略。PCB上各个组成部件名称、尺寸、功率以及生热率如表1所示,材料参数如表2所示。

1.2建立热仿真分析模型

依据表1中的数据,本文首先利用Nx8.0软件设计了两种PCB的三维模型,一种是将两类4个发热器件并列布置,如图1所示。另一种是将两类4个发热器件交叉布置,如图2所示。

图1并列布置方式

图2交叉布置方式

2印制电路板的热仿真分析

2.1传热学理论

在热力学中,能量守恒定律亦称为热力学第一定律,即:

式中,Q为热量:w为功:AU为系统内能:AKE为系统动能:APE为系统势能。

对于多数工程传热问题:AKE=APE=0,通常认为没有做功:w=0,则Q=AU。

在稳态热分析情况下:Q=AU=0:

在瞬态热分析情况下:g=dU/dl。

热传导的控制方程为:

2.2热仿真分析

基本传热方式有热传导、热对流和热辐射3种方式。在ANSYSworkbench中可以进行稳态和瞬态两种热分析,常见的载荷共6种:温度、热流率、对流、热流、热生成率、热辐射[6]。

本文热分析只考虑其温度、对流和热生成率3种载荷。在ANSYSworkbench中对PCB进行热仿真分析时,首先对模型进行网格划分,其结果为:单元数198108,节点数248283,然后施加环境温度载荷为25℃,并考虑PCB基板上下底面与周围空气形成的对流。当印制电路板上器件的温度超过85℃时,会产生断电保护。因此,在工作过程中希望印制电路板温度不会超过85℃。由于设备长时间工作,电路板持续发热,属于稳态热分析。热仿真分析时分别计算在不同散热条件(自然条件、通风条件、散热风扇)下[7],电路板两种布置方式的稳态温度分布,热分析结果如图3~图8所示。

图3并列(自然条件)

图4并列(通风条件)

图5并列(散热风扇)

图6交叉(自然条件)

图7交叉(通风条件)

图8交叉(散热风扇)

3热仿真结果分析

在不同工况和不同布置方式下,印制电路板工作时各元器件的热分析结果如表3所示。

根据表3的热分析结果,可获得不同布置方式和散热条件下的印制电路板的温度分布曲线,如图9所示。

通过分析表3和图9的数据可得:

(1)在自然条件和通风条件好的散热情况下,印制电路板上的最高温度依次为105.23℃、103.04℃、87.05℃、85.297℃,均超过了设备长期运行时的允许温度,不能满足使用要求。改善散热条件,在有散热风扇的情况下,电路板上的最高温度依次为77.249℃、75.216℃,均没有超过设备长期工作时的允许温度,满足使用要求。

(2)在相同的工况条件下,发热元器件并列布置方式的最高温度均低于交叉布置方式,两种布置方式的温差约为2℃。

(3)在有散热风扇条件下,发热元器件并列布置方式的最高温度与最低温度差为41.73℃,低于交叉布置方式的最高温度与最低温度差45.3℃。并列布置方式的电路板由温差引起的变形小于交叉布置方式。

4结论

本文利用有限元分析软件ANsYsworkbench对计算模块印制电路板进行热分析,结果表明:

(1)不管是并列布置方式还是交叉布置方式,在自然和通风条件好的散热工况下,电路板上的最高温度均超过了工作时的允许温度,不能满足设备长期运行要求。当有散热风扇时,电路板上的最高温度均低于运行的允许温度,满足设备长期运行要求。在设备设计时,需要加装风扇进行散热。

(2)在相同的工况条件下,发热元器件不同的布置方式会产生不同的温度分布,并列布置方式下的最高温度、温差、变形均小于交叉布置方式。因此在电路板设计时选择发热元器件并列布置的方式。

本文通过对印制电路板进行热仿真分析,可以为电路板的设计提供一定的理论依据,同时为设备的散热提供了参考,对后期设备的研发具有重要意义。