基于有限元的車載電路板多場(chǎng)熱應(yīng)力分析

周嘉誠，劉 芳

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基于有限元的車載電路板多場(chǎng)熱應(yīng)力分析

周嘉誠，劉 芳*

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073）

主要研究汽車在行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱和芯片自身發(fā)熱對(duì)車載電路板組件產(chǎn)生的影響。運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊電路板建模，分別施加芯片自身發(fā)熱、發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度以及兩者共同作用三種情形下的熱載荷，進(jìn)行溫度場(chǎng)熱應(yīng)力分析，比較三種情況下的溫度場(chǎng)分布和熱變形情況。結(jié)果顯示：在實(shí)際車載工作環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱是車載電路板產(chǎn)生熱變形的主要因素。電路板組件中最大離面位移出現(xiàn)在電路板中間一帶芯片處，上述芯片位置是電路板組件在芯片和發(fā)動(dòng)機(jī)共同發(fā)熱條件下的最危險(xiǎn)區(qū)域。

車載電路板；熱載荷；芯片；熱應(yīng)力

0 引言

車載電子與機(jī)載電子在服役過程中，不可避免地會(huì)遭受高溫、振動(dòng)、潮濕等惡劣環(huán)境的影響。根據(jù)美國Air Force Avionics Integrity Program的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所列舉出的影響電子設(shè)備可靠性的主要環(huán)境因素中，溫度和受熱所占的比例高達(dá)55%[1]。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，也使電路板的芯片集成度不斷提高，芯片的功耗和發(fā)熱量也隨之增大。同時(shí)，在車載機(jī)載環(huán)境中，電子設(shè)備還會(huì)受到由發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力部件工作發(fā)熱的影響[2]。由于材料各部分之間膨脹不均勻而彼此相互約束，熱效應(yīng)不可避免的產(chǎn)生熱應(yīng)力[3]。因此，為降低電路板的熱應(yīng)力，提高其抗變形能力，改善產(chǎn)品的熱性能以及提高可靠性，分析電路板各溫度場(chǎng)特性及其熱變形必不可少。

目前，已經(jīng)有不少的學(xué)者利用有限元軟件對(duì)電路板進(jìn)行了受熱和溫度分析[4-8]，尤其是在航空航天的電子設(shè)備的熱分析上，已經(jīng)做出了較為深入的研究，這些仿真模擬和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，為電路板后續(xù)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)。但是，對(duì)于我們?nèi)粘Ｊ褂闷囍械碾娮宇惍a(chǎn)品，目前該方面的研究還比較少。因此，模擬出符合車載環(huán)境下的電路板的發(fā)熱和受熱條件，對(duì)在條件下的電路板進(jìn)行熱應(yīng)力分析，變得尤為重要。

本文研究對(duì)象為汽車車載電子設(shè)備中的印刷電路板。利用有限元軟件ANSYS建立模型，結(jié)合電路板上芯片發(fā)熱與汽車正常工作下的發(fā)熱情況對(duì)電路板組件施加熱載荷，分別模擬（1）僅受電路板上芯片發(fā)熱影響；（2）僅受汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度影響；（3）受電路板芯片發(fā)熱與發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度共同影響等三種情況。首先對(duì)上述三種情況的電路板組件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，其后根據(jù)實(shí)際情況施加約束條件并展開應(yīng)力分析。最后觀察和比較的三種情況下電路板組件的溫度場(chǎng)分布與熱變形，找到電路板組件在該溫度場(chǎng)條件下的最危險(xiǎn)位置。對(duì)于車載環(huán)境下的印制電路板受熱條件和結(jié)構(gòu)變形的仿真模擬，對(duì)今后類似情況下的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象與有限元模型

本文中有限元模型實(shí)體來源于某品牌轎車發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中的一部分，位于發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛室之間。如圖1所示，印制電路板長(zhǎng)173mm，寬112mm，厚度2mm，電路板上主要有兩個(gè)邊長(zhǎng)分別為15mm和22mm的正方形芯片，和若干長(zhǎng)方形小芯片。具體電路板組件模型和芯片的編號(hào)如圖2所示。該電路板由印制電路板基板、硅芯片、電容和電線能元件構(gòu)成。其中主要的發(fā)熱和受熱影響的是芯片，電容和電線因其功耗較小，故忽略不計(jì)。為了提高分析計(jì)算的效率，在有限元建模時(shí)將電路板中功率較大，發(fā)熱較高的芯片保留下來。同時(shí)，由于受熱時(shí)間不長(zhǎng)且非熱循環(huán)載荷，故此處不考慮蠕變效應(yīng)對(duì)電路板造成的影響。

圖1 印刷電路板

圖2 有限元模型

根據(jù)上訴條件將模型簡(jiǎn)化，建立有限元模型。模型劃分的網(wǎng)格質(zhì)量不僅關(guān)系到有限元計(jì)算的效率，而且關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分后，模型共生成113836個(gè)單元，144748個(gè)節(jié)點(diǎn)。進(jìn)行熱應(yīng)力分析時(shí)，可通過熱單元向結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換[9]。電路板及組件的材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 電路板及組件材料參數(shù)

2 PCB溫度場(chǎng)下的熱應(yīng)力分析

利用ANSYS有限元軟件分析時(shí)候，采用時(shí)序間接耦合的方式，按照相關(guān)場(chǎng)的先后循序進(jìn)行分析，通過把第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為第二次場(chǎng)分析的載荷實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)的耦合。在仿真分析前，定義分析的單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分、載荷和約束等參數(shù)。上述條件設(shè)定后，先進(jìn)行溫度場(chǎng)的熱分析，然后把熱分析結(jié)果數(shù)據(jù)當(dāng)作結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的載荷，完成整個(gè)溫度場(chǎng)熱應(yīng)力的分析過程[10]。

2.1 三種不同受熱情況下的PCB溫度場(chǎng)有限元分析

根據(jù)實(shí)際的汽車內(nèi)部實(shí)際工作環(huán)境，環(huán)境初始溫度設(shè)為25℃，空氣自然對(duì)流系數(shù)為20W/(m2·℃)。對(duì)車載電路板進(jìn)行分別模擬（1）僅受電路板上芯片發(fā)熱影響；（2）僅受汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度影響；（3）受電路板芯片發(fā)熱與發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度共同影響等三種情況下的溫度場(chǎng)分析，其分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出三種受熱情況下PCB溫度分布情況。圖3(a)中顯示了僅受芯片發(fā)熱的電路板組件溫度分布圖，由于芯片自身發(fā)熱，電路板組件中，芯片位置溫度高于電路板其他位置。其中3號(hào)芯片功率最大，發(fā)熱最明顯。圖3(b)中顯示了僅受發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱的電路板組件溫度分布圖，由于電路板前端靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，因此電路板前端區(qū)域溫度和熱量分布較高，后端區(qū)域溫度和熱量相對(duì)較低，溫度變化是由前往后逐漸降低的。圖3(c)中顯示了受芯片和發(fā)動(dòng)機(jī)共同發(fā)熱下的電路板組件溫度分布圖，圖中溫度整體分布于圖3(b)趨勢(shì)相同，但是芯片處受熱有明顯不同。

通過對(duì)車載環(huán)境下PCB模型的溫度場(chǎng)分析，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)溫度的分布情況，選用合適的耐溫材料，在發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源與電路板接觸的路徑上增加隔熱保護(hù)層，采取必要的散熱設(shè)計(jì)[11]。大部分車載電子產(chǎn)品都對(duì)溫度很敏感，超過極限溫度時(shí)電子元件的性能將會(huì)收到嚴(yán)重影響，溫度大大超過工作溫度范圍，元件就可能會(huì)損壞[12]。溫度過高也會(huì)引起焊料的脫焊，大大降低焊點(diǎn)的可靠性。

圖3 三種情況下PCB溫度分布云圖

2.2 PCB變形的有限元分析

在溫度場(chǎng)下的熱分析后進(jìn)行PCB的結(jié)構(gòu)分析，首先進(jìn)行單元類型轉(zhuǎn)換，并施加位移條件。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)模塊電路板中，在上端兩個(gè)頂角和下邊中間部位有四個(gè)螺栓孔，用來將電路板固定。因此，模擬為了跟實(shí)際情況相符，對(duì)上述螺栓孔部位施加合理約束。最后把熱分析獲得的溫度數(shù)據(jù)作為熱載荷導(dǎo)入，進(jìn)行靜力場(chǎng)求解，得到各方向位移分布云圖如圖4所示[13]。

圖4 PCB位移分布云圖

圖4顯示了三種受熱情況下電路板的整體位移情況。從圖4(a)中可以看出，在僅受芯片發(fā)熱條件下，功率較大，發(fā)熱較高的3號(hào)和4號(hào)芯片出現(xiàn)明顯的離面位移。說明該處芯片存在較大的熱變形。從圖4(b)和(c)中得知，僅受發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱與受芯片共同發(fā)熱作用下的電路板熱變形整體趨勢(shì)相同，由此可知，在實(shí)際車載環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱是影響電路板熱變形的主要因素。此外，觀察b和c圖中的芯片情況，發(fā)現(xiàn)芯片整體都呈現(xiàn)出中間凹陷，四周翹起的狀態(tài)。由于該電路板芯片都屬于PQFP封裝形式，芯片引腳都在芯片四周邊緣[14]。因此，出現(xiàn)上圖熱變形，很容易造成芯片四周處引腳焊點(diǎn)過度拉伸甚至斷裂，從而導(dǎo)致電路板芯片失效，使得電路板可靠性降低[15]。

表2 三種情況下Z坐標(biāo)軸方向的最大最小位移

圖5 PCB Z軸位移分布云圖

從靜力場(chǎng)分析結(jié)果中可以得到面內(nèi)位移X、Y和離面位移Z的變形情況。在電路板組件中最容易引起失效部位是芯片和與芯片連接的焊點(diǎn)。對(duì)于芯片和焊點(diǎn)來說，里面位移Z方向的變形情況對(duì)其影響最大。如表2所示，下面是電路板在三種受熱情況下Z軸方向的最大最小位移。從表2中可以看出，三種情況下Z軸正向與負(fù)向最大值最小值變化差距并不大，但從圖5中觀察可得在芯片與發(fā)動(dòng)機(jī)共同發(fā)熱下，電路板組件中的3號(hào)，4號(hào)和6號(hào)芯片都處于負(fù)向最大值區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的凹陷狀態(tài)。因此，可以推斷該電路板組件中，由于受熱影響，3號(hào)，4號(hào)和6號(hào)芯片的引腳處焊點(diǎn)很容易失效，導(dǎo)致電路板整體可靠性降低。所以，上述芯片位置是該電路板組件的最危險(xiǎn)處，在后續(xù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中需要重點(diǎn)改進(jìn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)車載電路板在三種不同受熱情況下的的溫度熱應(yīng)力仿真分析，觀察電路板組件的溫度分布情況，可以確定不同發(fā)熱條件對(duì)電路板熱變形產(chǎn)生的影響。通過觀察電路板組件的熱變形位移情況，找到了工作環(huán)境下電路板組件最危險(xiǎn)處。仿真結(jié)果表明：（1）在實(shí)際車載工作環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱是車載電路板產(chǎn)生熱變形的主要因素；（2）電路板組件中最大離面位移出現(xiàn)在3號(hào)，4號(hào)和6號(hào)芯片處，即該電路板中間區(qū)域位置，上述位置是電路板組件該狀態(tài)下的最危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)車載電路板的熱應(yīng)力分析，為后續(xù)車載電路板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和散熱方式的選擇及安裝位置提供了參考。采用有限元模擬的方法能模擬出真實(shí)情況下電路板處于的環(huán)境溫度條件，能快速找到問題，對(duì)后續(xù)提高印制電路板的熱可靠性有很大意義。

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Thermal Stress Analysis of the PCB Assembly in Vehicle under Different Thermal Filed Based on Finite Element Method

ZHOU Jia-cheng, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

In order to study the influence of thermal produced by engine and chips to the PCB assembly in the vehicle under the driving car, the PCB in vehicle was taken as a study object by ANSYS. The the temperature field analysis and thermal stress analysis was carried out under the –thermal produced by chips, by engine and the both– three different thermal loadings. Comparing the distribution of temperature and thermal deformation under three different thermal loadings, the details of the PCB assembly can be obtained. The results showed that the thermal produced by engine played the major role in the thermal deformation of the PCB assembly under the working condition of the car. The maximum displacement of out-of-plane appeared the areas located on the PCB center. These areas of the chips were the most dangerous on the PCB assembly.

PCB Assembly in vehicle; thermal loading; chips; thermal stress

TN306

A

2095－414X(2017)06－0076－05

通訊作者：劉芳（1976-），女，副教授，博士后，研究方向：振動(dòng)沖擊分析與控制.

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目（No. Q20141608)；國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（No.11102141）.