基于ANSYS的板級(jí)電路熱分析及布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬 靜

(淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系，安徽淮南232001)

由于電子器件朝著體積微小化、高互聯(lián)密度方向發(fā)展，使得對(duì)實(shí)際的微電子器件進(jìn)行熱—機(jī)械性能測(cè)試變得越來(lái)越困難甚至不可能;傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—修改方案—再實(shí)驗(yàn)的方式生產(chǎn)周期長(zhǎng)，過(guò)程反復(fù)多，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)電子器件更新?lián)Q代速度，并且在相當(dāng)程度上導(dǎo)致了產(chǎn)品制造成本的上升。因此，在設(shè)計(jì)階段采用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬和分析制造后產(chǎn)品的實(shí)際性能，以發(fā)現(xiàn)其中的不足，并將之應(yīng)用于設(shè)計(jì)的修改，已成為工程上主要的發(fā)展趨勢(shì)［1-3］。

1 板級(jí)電路三維有限元模型

1.1 模型簡(jiǎn)化假設(shè)

實(shí)際的板級(jí)電路(SMA)是一個(gè)包括表面貼裝元器件(SMC/SMD)，印刷電路版(PCB)在內(nèi)的板極電路。要對(duì)SMA進(jìn)行正常工作情況下的熱分析，必須先對(duì)實(shí)際的SMA進(jìn)行合理的替代，使其成為計(jì)算機(jī)仿真模型。把具有特定物理、幾何特征的SMA進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化是獲得最終正確仿真結(jié)果的關(guān)鍵［4-5］。它包括兩個(gè)部分的內(nèi)容:(1)對(duì)SMC/SMD的合理簡(jiǎn)化;(2)對(duì)PCB的合理簡(jiǎn)化。先考慮對(duì)SMC/SMD的簡(jiǎn)化替代。對(duì)于小外形的片式電容器、電阻器，由于其體積小，熱容量小，在再流焊過(guò)程中的吸熱小，其溫度變化大致與PCB一致且對(duì)整個(gè)SMA的溫度分布影響不大，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可將其作為質(zhì)量點(diǎn)加入到PCB基板上。對(duì)于外形較大的器件，比如PLCC，BGA，SOP等，由于其封裝結(jié)構(gòu)和材料各異，必須對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于規(guī)則外形的器件，在計(jì)算時(shí)忽略其引腳而代之以規(guī)則的幾何外形——長(zhǎng)方體，圓柱體。由于器件與PCB基板之間以引腳相連，再流焊接過(guò)程中兩者通過(guò)引腳進(jìn)行熱傳導(dǎo)。必須估計(jì)器件和PCB之間的絕對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)，用下式來(lái)表示熱傳導(dǎo)系數(shù)大?。?］:

式中，G為熱傳導(dǎo)率的數(shù)值大小;N為引腳數(shù)目;kp為引腳的熱傳導(dǎo)率;Ap為引腳的橫截面積;lp為引腳的長(zhǎng)度;ka為空氣的熱傳導(dǎo)率;A為空氣的器件下表面的面積;t為器件與PCB之間的空氣間隙厚度。

對(duì)于PCB，主要考慮其層數(shù)以及PCB上金屬布線對(duì)于PCB材料參數(shù)的影響。對(duì)于單一的PCB材料FR4或者FR2，其材料參數(shù)是各向同性的，但對(duì)于有金屬布線以及多層PCB，其材料參數(shù)將呈現(xiàn)各向異性。對(duì)于各向異性材料的PCB，將采用平均材料參數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.2 板級(jí)電路實(shí)體模型［7］

典型的板級(jí)電路由基板、大量的片式元件組成，基板包括單層、多層板等。以3D模型來(lái)表示一定厚度的PCB基板，對(duì)于基板上裸露的電路可以通過(guò)附加的輻射面來(lái)模擬。對(duì)于大量的片式電阻、電容以及小外型的晶體管可以用一維質(zhì)量點(diǎn)單元來(lái)精確地表示，相對(duì)3D模型在不降低精確度的情況下可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間。對(duì)于更大更復(fù)雜的元件，不能用2D模型來(lái)簡(jiǎn)化，必須更詳細(xì)地來(lái)討論，一種有效的方法是用立方體模型圖1來(lái)表示。

圖1 元器件的立方體模型

為了很好模擬實(shí)際的板級(jí)電路產(chǎn)品，設(shè)計(jì)如下的板級(jí)電路，包含基板、2個(gè)QFP，1個(gè)PLCC、2個(gè)SOP、3個(gè)SOIC元件，還有1個(gè)三端穩(wěn)壓管，基板以及各IC的材料參數(shù)各不相同，考慮用直接生成SMA有限元模型費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采用實(shí)體造型的方法減輕這部分工作量。ANSYS程序允許通過(guò)匯集線、面、體等幾何體素的方法構(gòu)造模型，方便用戶建立復(fù)雜的幾何模型。利用ANSYS的實(shí)體建模功能建立如圖2所示的簡(jiǎn)單的SMA實(shí)體模型，其器件編號(hào)及布置如圖3所示。表1為該板級(jí)電路模型的各個(gè)組成部件名稱、尺寸大小以及封裝類型、功率以及生熱率。

圖2 基于ANSYS的板級(jí)電路實(shí)體模型

圖3 板級(jí)電路器件編號(hào)及布置示意圖

表1 板級(jí)電路各組成部件名稱、尺寸、封裝形式、功率及生熱率

從圖2中可以看出，把實(shí)際的SMA轉(zhuǎn)換為ANSYS計(jì)算模型時(shí)，通過(guò)實(shí)體建模技術(shù)把原來(lái)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SMA各組成部分都做了簡(jiǎn)化處理，這樣的簡(jiǎn)化處理對(duì)于溫度場(chǎng)分布計(jì)算是可以接受的。從直觀上看，氣流能夠到達(dá)的部分是元件以及PCB基板的裸露部分，為了能夠在元件以及PCB基板的裸露部分加對(duì)流載荷，而其他部分則沒(méi)有，對(duì)所有體素進(jìn)行一次交疊操作，以產(chǎn)生用于加載熱對(duì)流載荷的幾何多邊形。為了方便求解過(guò)程可作如下假設(shè):

(1)所有印制電路板和器件均視為與其實(shí)際幾何形態(tài)相對(duì)應(yīng)的理想幾何體而不計(jì)二者間的幾何誤差，且忽略各幾何體上小的倒角、圓角及孔洞等細(xì)微結(jié)構(gòu);

(2)僅考慮印制電路板和器件與周圍空氣環(huán)境的相互作用，暫時(shí)忽略電氣互連線路等對(duì)熱場(chǎng)造成的影響;

(3)假定板上所有器件各向同性均勻?qū)幔胰∠嗤钠骄芏戎怠?/p>

采用ANSYS軟件對(duì)上述板級(jí)電路進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖4 板級(jí)電路網(wǎng)格劃分

2 板級(jí)電路有限元熱分析及元器件布局優(yōu)化［8］

ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為7種:溫度、熱流率、對(duì)流、輻射、絕熱、生熱。在這里只考慮其中的對(duì)流、傳導(dǎo)、和生熱3種邊界條件。

在對(duì)板極電路模塊進(jìn)行熱分析時(shí)，假設(shè)三端穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率為95%，則其發(fā)熱功耗為1 W。施加的環(huán)境溫度為20℃。同時(shí)，僅考慮PCB基板上下底面與周圍空氣形成的對(duì)流。圖5所示為分析以后的溫度分布。

元器件的布局不僅要滿足制造時(shí)的工藝要求，還應(yīng)能盡可能地滿足電、熱性能等方面的要求。表2列出了圖3所示板級(jí)電路的5種布局方案，分析在不同布局方案下板級(jí)電路的溫度分布，以便得出較合理的板級(jí)電路集成塊布局方案。

圖5

表2 布局方案情況

圖5為各種布局情況下有限元熱分析的結(jié)果。各方案中最高溫度始終出現(xiàn)在集成塊9上隨著集成塊9在電路板上分布位置的不同，電路板的最高溫度也不同，但在各種布局中溫度最高處均位于集成塊9上，其原因顯然在于集成塊9單位體積生熱率最大。換言之，集成塊9在板上的位置對(duì)該板極電路模塊的熱場(chǎng)形態(tài)及最高溫度產(chǎn)生了決定性的影響。

表3為各種布局下集成塊9的特性參量。

表3 各種布局情況下溫度極值

結(jié)合圖5所示的溫度分布圖可知:按照布局方案3對(duì)集成塊進(jìn)行布局可以使該板極電路溫度較其他4種布局方案低，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)板極電路上的集成塊布局時(shí)，可采用布局方案3。

3 考慮散熱措施的板級(jí)電路熱分析

在PCB上的集成塊布局均采用較合理的方案(即布局方案3)的情況下，若同時(shí)考慮采取散熱措施，可以較明顯的降低模塊的最高溫度。圖6為增大了與外界環(huán)境的熱交換系數(shù)(強(qiáng)迫對(duì)流)后板極電路的溫度分布圖。從圖6可見，在考慮了散熱措施后，其最高溫度由原來(lái)的91.916℃降低到31.913℃。

圖6 強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)方案3的溫度分布圖

4 分析總結(jié)

以上分析得出了生熱率大的元器件在印制電路板上以各種典型方式排列時(shí)的溫度分布形態(tài)。由此可知，從結(jié)構(gòu)散熱的角度考慮，當(dāng)大小、功耗以及元器件數(shù)目都已確定時(shí)，應(yīng)合理地布置元器件在印制板上的位置，建議在熱設(shè)計(jì)時(shí)作如下安排:

(1)采用將高生熱率器件在板面上呈四角型布放的方案。其中，三端穩(wěn)壓器和另外三個(gè)生熱率較高的器件6、8、9分占PCB四角，其余器件則適當(dāng)?shù)卮┎逵谒鼈冎g。此時(shí)熱場(chǎng)較均勻地分布于PCB上各處，且高低溫差37.738℃為各種方案中最小。也就是說(shuō)這樣可以有效地減小各區(qū)域溫度峰值之間的溫度梯度，使溫度分布趨于平緩，以降低熱應(yīng)力生成，從而提高組件和板子的熱可靠性。一般而言，在同一塊印制板上的電子元器件，可按其生熱率大小分區(qū)放置，并盡量把生熱率較大的器件放在靠近印制板的周邊處，充分發(fā)揮對(duì)流效應(yīng)，且最好把散熱較差的一面放在氣流的上游，而生熱率小的器件可適當(dāng)?shù)胤胖迷谏鸁崧蚀蟮钠骷g或是氣流的下游。

(2)器件6、8、9集中布置，使局部溫度達(dá)到了108.755℃，為各方案中最高值，對(duì)器件的性能和使用壽命構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。應(yīng)避免生熱率較大的元器件分布過(guò)于集中，這樣可以避免因器件熱生成局部集中導(dǎo)致溫度向量的疊加從而使溫度場(chǎng)中最高溫度值上升造成的不良影響。

(3)生熱率大的元器件位置也不可過(guò)于迫近PCB周邊，以免此處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

［1］Swager A W.Thermal Images Provide Reliability Clues［M］.END，1990:47-58.

［2］Vaccaro J M，Holzhauer D J，Yaworsky P S.Personal Computer Thermal Analyzer，1990.

［3］Godfrey W M，Tagavi K A，Cremers C J，et al.Interactive Thermal Modeling of Electronic Circuit Boards［J］.IEEE Trans Components，Hybrids，and Manufact Technol，1993，16(8):978-985.

［4］李琴，朱敏波，劉海東，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2005(2):50-52

［5］陳潔茹，朱敏波，齊穎.Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子機(jī)械工程，2005(1):14-16

［6］劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式大功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2010(8):481-484

［7］張棟，付桂翠.電子封裝的簡(jiǎn)化熱模型研究［J］.電子器件，2006，29:672-679

［8］華慶，殷景華，焦國(guó)芹，等.基于ANSYS的功率VDMOS器件的熱分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2009，32(4):354-356