基于CFD的手機PCB板溫度場仿真

陳澤睿，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

基于CFD的手機PCB板溫度場仿真

陳澤睿，沈昱明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

手機PCB板溫度分布是手機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，提前模擬出手機PCB板的溫度場分布對手機設(shè)計有著較大的幫助。文中采用CFD商業(yè)軟件對手機PCB板進行模擬仿真。通過對手機PCB板進行三維建模，優(yōu)化模型，網(wǎng)格劃分和設(shè)置邊界條件，求解可得到手機PCB板的溫度場。運用該方法得到了手機各個元器件的最大溫度值，并通過改變對流系數(shù)，分析了對流系數(shù)對溫度場的影響。

手機PCB板；溫度場；仿真；CFD

隨著手機配置越來越先進，運算速度更快，CPU主頻更高[1-3]。對于多功能、多程序運行的智能手機，如果同時運行幾個任務(wù)，或者運行大型游戲時，CPU等器件溫度會升高，性能將有所下降。為保持器件的正常運行，以及良好的用戶體驗，需確手機保溫度在合適的范圍內(nèi)。同時，WiFi、GPS等通信器件因為要發(fā)射和接收信號，同樣也會隨著有效信號的發(fā)射和接收產(chǎn)生大量的熱量，散熱能讓這些器件良好工作。所以，模擬仿真出手機芯片的溫度分布狀況，進行優(yōu)化設(shè)計是必要的[4-6]。

近年來，國外對與印刷電路板上元件溫度場問題有深入的研究[5-11]。Culham和Yovanovich[12]進行了一項比較性研究，研究說明了在混合邊界條件下，材料熱阻和擴散熱阻在計算PCB有效熱傳導(dǎo)率的重要性。Shabany[13]對PCB上元器件尺寸大小與有效傳導(dǎo)率進行了研究，指出了有效的傳熱率依賴于熱源尺寸的大小，通過求解熱傳導(dǎo)方程的數(shù)值解，得到了載有不同尺寸熱源PCB的有效傳遞系數(shù)。而國內(nèi)起步較晚，付桂翠，方志強[14]對功率器件和散熱器做了專門的熱優(yōu)化設(shè)計，鄧志勇通過做實驗來測手機在不同狀況下的溫度的變化，并且采用石墨片導(dǎo)熱來降低電池和芯片溫度。

本文通過建模軟件UG對手機PCB板建立了三維模型，并用強大的網(wǎng)格劃分軟件ICEM對三維手機PCB板進行了網(wǎng)格劃分，之后用CFD商業(yè)軟件Fluent模擬仿真了某一款手機PCB板的溫度的分布和范圍，得到了PCB板的溫度分布云圖。分析了手機工作狀態(tài)下元器件的溫度值變化，以及不同對流表面換熱系數(shù)的情況下手機PCB板溫度的分布。從而能夠更好的改進手機元器件的分布。

1 仿真模型

1.1 物理模型

物理模型是利用建模軟件UG建成。手機PCB板模型已被簡化，包含主要的手機功耗元器件，如CPU，GPS，WiFi等。如圖1為物理模型正面，圖2為物理模型反面。

圖1 物理模型正面

圖2 物理模型反面

1.2 數(shù)學(xué)模型

手機PCB板上每一個功耗單元都會產(chǎn)生熱，這個熱的去向有2個途徑，其中一個途徑是將部分能量傳導(dǎo)其他物體然后通過熱對流散失到空氣中，另外一個途徑是直接對流換熱擴散到空氣中，所以可以建立三維的穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型[15]。

導(dǎo)熱微分方程

(1)

式中，ρ為材料密度，單位為W/m3;c為材料比熱，單位為J/(kg·K);λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K);qv為內(nèi)熱源的熱流密度，單位:W/m3。

自然對流換熱

Nu=C(GrPr)n

(2)

由于輻射換熱的影響太小以至忽略不計，本文不考慮輻射換熱。

1.3 網(wǎng)格劃分

仿真模型采用ICEM軟件采用混合網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為32 446個，如圖3所示。由于大部分元器件是內(nèi)熱源，是由中心向外部擴散，將內(nèi)熱源附近的區(qū)域進行加密處理，并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可提高計算精度。

圖3 手機芯片網(wǎng)格劃分

1.4 物性參數(shù)

表1 元器件材料屬性

由于手機內(nèi)熱源的元器件材料大部分為銅，所以將這些內(nèi)熱源材料屬性都設(shè)置為銅，PCB板材料為Fr4，CPU底下的器件材料是塑料。如表1給出了部分元器件材料的密度，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

這些內(nèi)熱源的最大功率已經(jīng)獲得，為了考慮手機整體的最差的狀態(tài)，假設(shè)這些手機元器件都是以最大功率運行，模擬出手機溫度的分布情況。內(nèi)熱源的功率為元器件單位體積的功率。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)

Fluent初始邊界條件溫度為20 ℃，設(shè)溫差為30 ℃，根據(jù)式(2)計算得出初始對流換熱系數(shù)為61.59。材料屬性值的參數(shù)設(shè)置為表1所提供的數(shù)據(jù)，并設(shè)置每個內(nèi)熱源的功率，殘差值設(shè)置在1e-06，開啟熱平衡方程。經(jīng)計算，如圖4所示，該圖為計算結(jié)果的殘差曲線，在趨于1e-06處平緩，停止迭代，已經(jīng)達到所需要的精度。

圖4 殘差曲線

圖5 對流系數(shù)為61.59時溫度分布

圖6 對流系數(shù)為76.83時溫度分布

將溫差設(shè)置為30 ℃，由式(2)計算得到對流換熱系數(shù)為61.59，所得手機PCB板溫度的分布情況如圖5所示。WiFi溫度最高達57.7 ℃，CPU的溫度最高是93.1 ℃，DRAM5溫度最高達50.6 ℃，DRAM4溫度最高達是61 ℃。

將溫差設(shè)置為60 ℃，根據(jù)式(2)計算得到對流換熱系數(shù)為76.83。所得手機PCB板溫度的分布情況如圖6所示，WiFi溫度最高為54.7 ℃，DRAM4的溫度最高是58 ℃，CPU的溫度最高達87.9 ℃，DRAM5的溫度最高達48.8 ℃。

2.2 模擬分析

由仿真實驗分析可知。當(dāng)對流系數(shù)為61.59時，CPU溫度最高為93.1 ℃，當(dāng)對流系數(shù)為76.83時，CPU溫度最高為87.9 ℃，溫度比最初降了5.6%。同理可得，DRAM5的溫度比最初降了3.6%，WiFi的溫度比原來降了5.2%，DRAM4的溫度比最初時候降了4.9%。不同對流系數(shù)對手機芯片的散熱分析有一定的影響。當(dāng)對流系數(shù)越大時，手機芯片散熱就越好。

2.3 模擬目的和意義

本文通過改變對流系數(shù)來模擬手機PCB板溫度場的變化，為手機PCB板的設(shè)計提供了良好的參考方案，在實際應(yīng)用過程中，手機設(shè)計考慮因素有多種，像外界溫度變化，元器件分布情況，改變元器件尺寸等都會對手機的溫度有影響。在應(yīng)用CFD商業(yè)軟件模擬實驗可大幅提高手機研究效率，縮短手機設(shè)計時間，節(jié)約實驗成本。

3 結(jié)束語

手機PCB板溫度散熱分布是手機設(shè)計考慮的重要因素之一，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了手機PCB板的模型，通過應(yīng)用Fluent仿真軟件對PCB板的溫度場進行了仿真計算。分析手機PCB板隨著對流表面換熱系數(shù)的變化而對PCB板溫度分布產(chǎn)生的影響。本文通過商業(yè)軟件Fluent只是模擬了關(guān)于不同對流系數(shù)溫度的分布情況，至于不同初始溫度情況下，元器件不同排布情況下，更改元器件尺寸情況下等等都會影響手機PCB板的溫度分布。在實際設(shè)計手機PCB板的時候，應(yīng)該考慮多方面的因素，多模擬不同情況下手機PCB板的溫度分布，從而更好的進行優(yōu)化設(shè)計。通過CFD商業(yè)軟件進行模擬，相對于實際實驗而言，不僅節(jié)省了工作人員的設(shè)計周期，并且可以讓工作人員知道手機PCB的溫度是如何分布的，排除手機安全隱患，提高手機的安全性。

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[2] 張學(xué)新.某地面電子設(shè)備的熱設(shè)計[J].電子機械工程,2014,30(4):8-11.

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[4] 崔廣云.LED彩色打印機內(nèi)部溫度場的數(shù)值計算[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

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[6] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2006.

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[15] 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

Temperature Field Simulation of the Mobile Phone PCB Board Based on CFD

CHEN Zerui，SHEN Yuming

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Mobile PCB board temperature distribution plays a major role in the mobile phone design, and its simulation is of great help. This paper uses the CFD commercial software to simulate the mobile phone PCB board. The three-dimensional modeling of the mobile phone PCB board is employed for the optimization model, the grid division and the boundary conditions setting to solve the temperature field of the mobile phone PCB board. The maximum temperature of each component of the cell phone is obtained, and the influence of the convection coefficient on the temperature field is analyzed by changing the convection coefficient.

mobile PCB; temperature field; simulation; CFD

2016- 04- 05

陳澤睿(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：CFD商業(yè)軟件應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.023

TN761.4

A

1007-7820(2017)02-087-03