星載印制電路板的熱仿真

莊春躍， 劉寬耀， 劉偉平， 翁孚達

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，電路模塊的集成度越來越高，同時多芯片模塊的大量應(yīng)用以及組裝密度的不斷增加，使得電路板上的熱流密度不斷加大，溫度急劇升高。較嚴酷的熱環(huán)境應(yīng)力可能導(dǎo)致電子元器件加速失效，從而引起整個產(chǎn)品的失效，降低了產(chǎn)品運行的可靠性［1］。因此，為了保證元器件及產(chǎn)品的熱可靠性，熱設(shè)計就顯得非常重要。

星載電子產(chǎn)品的熱設(shè)計不同于一般的電子產(chǎn)品，往往處于真空環(huán)境過程中，不存在對流換熱，熱量的轉(zhuǎn)移只能通過導(dǎo)熱和輻射換熱形式完成，且以導(dǎo)熱形式為主。因此，為保證產(chǎn)品熱量的順利轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)布局設(shè)計的合理性就至關(guān)重要，需保證熱流路徑暢通。本文采用了一種“熱橋”結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)大功率芯片的散熱，并通過比較改進前后的溫度分布來驗證方法的有效性。

1 初始模型的熱仿真

1.1 建立熱分析模型

建模問題是熱分析的關(guān)鍵問題［2］。為簡化計算，建立的熱模型忽略了小型安裝孔、相對小功率器件、接插件及對熱仿真計算影響較小的其它因素。

印制板熱模型主要由PCB板及中間帶加強筋的框架結(jié)構(gòu)組成，兩側(cè)邊分別為簡化的楔形鎖緊裝置，該鎖緊裝置與總體結(jié)構(gòu)進行溫度傳導(dǎo)，其熱模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱模型結(jié)構(gòu)

1.2 模型參數(shù)

熱模型中印制板外形尺寸為258 mm×200 mm×2 mm，該印制板為12層的FR4環(huán)氧玻璃板，其中2層覆銅厚度為18μm，覆銅比例為23%；4層覆銅厚度為35μm，覆銅比例為23%；6層覆銅厚度為35μm，覆銅比例為70%。

為簡化印制板覆銅箔后的多層結(jié)構(gòu)，將印制板等效為各向異性材料［3］。在印制板厚度方向，銅箔所占比例很小，大部分材料為FR4，故該方向上的導(dǎo)熱系數(shù)等同于FR4的導(dǎo)熱系數(shù)0.294 W/（m·K）。而沿印制板平面方向的導(dǎo)熱系數(shù)為ky和kz，因ky和kz均在印制板平面方向，該方向印制板覆銅比例大，兩者導(dǎo)熱系數(shù)默認一致，其計算簡化為ky=kcuVcu+kFR4（1-Vcu），可得該方向的導(dǎo)熱系數(shù)為31.187 W/（m·K）。

印制板中熱量主要來自于8塊芯片器件，8塊芯片器件的尺寸和功率參數(shù)如表1所示。

表1 印制板芯片器件的參數(shù)表

1.3 仿真計算

本文采用ANSYS/Workbench對印制板組件在-15℃和45℃兩種極限溫度工況下進行熱仿真，芯片器件與印制板間完全貼合安裝，器件功耗以熱生成率（Internal Heat Generation）的形式施加于體單元上，以恒定溫度的方式將-15℃和+45℃的極限工作溫度施加于印制板組件與總體結(jié)構(gòu)連接的鎖緊裝置處。

印制板組件在極限工作溫度-15℃和+45℃時的溫度分布云圖分別如圖2和圖3所示，器件中心點的溫度仿真結(jié)果如表2所示。

圖2 初始模型-15℃溫度分布云圖

圖3 初始模型45℃溫度分布云圖

從仿真結(jié)果可知，兩種工況下器件的最高溫度分別為20.17℃和78.43℃，均位于印制板中間位置器件4處，最低溫度則分布于印制板邊緣靠近楔形鎖緊裝置的器件1處，各器件溫度均小于允許的最高降額溫度。

表2 初始模型器件中心點溫度

2 熱橋模型的熱仿真

2.1 建立熱橋模型

在原印制板器件布局的基礎(chǔ)上，利用散熱片將大功率芯片器件與加強筋搭接起來，形成所謂的“熱橋”結(jié)構(gòu)，以保證熱流路徑暢通，更好地引導(dǎo)大功率芯片器件的散熱［4］。

散熱片邊沿通過螺釘固定到加強筋上，器件端則采用鉛皮紙將器件與散熱片進行包扎，接觸面間均涂抹適量導(dǎo)熱填料，以確保接觸良好，最大限度地降低接觸熱阻。簡化后的“熱橋”結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 “熱橋”結(jié)構(gòu)

整個組件采用7塊散熱片將芯片器件與加強筋連接，由于器件2與器件3尺寸相同，排布位于同一位置，故采用同一長條的散熱片與加強筋連接。整個熱模型結(jié)構(gòu)忽略了小型安裝孔及標準件鎖緊件，簡化后增加“熱橋”的熱模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 增加“熱橋”的熱模型結(jié)構(gòu)

2.2 模型參數(shù)

在改進的熱模型中采用具有高導(dǎo)熱系數(shù)和較好延展性的0.3 mm厚的紫銅折彎成冷板來充當“熱橋”結(jié)構(gòu)。散熱片外形如圖6所示，其參數(shù)如表3所示。

圖6 散熱片外形

表3 散熱片參數(shù)表

2.3 仿真計算

將散熱片與器件和加強筋之間作完全貼合處理。與未搭建“熱橋”時的印制板組件仿真相同，增加“熱橋”后的組件在極限工作溫度-15℃和45℃時的溫度分布云圖分別如圖7、圖8所示。器件中心點溫度仿真結(jié)果如表4所示。

圖7 帶“熱橋”-15℃溫度分布云圖

圖8 帶“熱橋”45℃溫度分布云圖

表4 改進模型器件中心點溫度

從仿真結(jié)果可知，搭建“熱橋”后的印制板組件相比未搭建“熱橋”的組件整體溫度均有不同程度的下降，其中低溫工況下器件4最高溫的中心點溫度下降約為7.6℃，高溫工況下器件4最高溫的中心點溫度下降約為7.3℃。表明搭接“熱橋”結(jié)構(gòu)能在一定程度上增加芯片器件在熱流路徑上的熱傳導(dǎo)，從而更加有效地降低芯片的溫度。

3 不同散熱片比較

在搭接“熱橋”的過程中，不同散熱片的材料及厚度規(guī)格對芯片器件的溫度有不同的影響。

對所選用的材料，希望其同時具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，金和銀比較昂貴，目前比較常用的是紫銅、鋁及鋁合金。紫銅導(dǎo)熱性好，不易折斷和斷裂，具有一定的沖擊能力，不會長期老化，但加工難度高，重量過大，而且容易氧化。鋁可塑性好，重量輕，平整度好，但導(dǎo)熱性能沒有紫銅高。鋁合金和鋁類似，但強度比鋁好。

厚度規(guī)格方面主要考慮加工性、安裝空間及重量等要求，根據(jù)經(jīng)驗選擇0.3 mm，0.5 mm及0.7 mm厚度的散熱片來做比較。

這里只對搭接的散熱片在高溫工況下做比較，低溫工況類似不再贅述。不同材料及規(guī)格的散熱片在高溫工況下的器件中心點溫度分布結(jié)果如表5～7所示。

表5 器件中心點溫度分布（45℃，0.3 mm）

表6 器件中心點溫度分布（45℃，0.5 mm）

表7 器件中心點溫度分布（45℃，0.7 mm）

由表5～7仿真結(jié)果可以看出，帶“熱橋”結(jié)構(gòu)的器件中心點溫度均小于不帶有“熱橋”結(jié)構(gòu)的器件中心點溫度。相同厚度規(guī)格的散熱片中，搭接紫銅散熱片的器件中心點溫度最低，鋁合金散熱片的器件中心點溫度最高。材料相同的散熱片中，器件中心點的溫度隨著采用散熱片厚度的增加而降低。0.7 mm厚的鋁合金散熱片與0.3 mm厚的紫銅散熱片相比，器件中心點溫度基本相同，但0.7 mm厚的鋁合金散熱片重量輕于0.3 mm厚的紫銅散熱片。

因此一定厚度規(guī)格條件下，紫銅散熱片在熱流路徑上的導(dǎo)熱能力最強。在重量相同的情況下，紫銅散熱片在熱流路徑上的導(dǎo)熱能力最弱。在材料相同的條件下，一定程度增加散熱片厚度有利于增加熱流路徑上的導(dǎo)熱。

4 結(jié)束語

本文借助ANSYS/workbench對搭建“熱橋”結(jié)構(gòu)前后的器件中心點溫度進行仿真分析，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)能增加芯片器件在熱流路徑上的熱傳導(dǎo)，對印制板組件的散熱有一定的改善作用，同時搭建不同散熱片對印制板組件均有不同的促進作用。搭建“熱橋”結(jié)構(gòu)這種形式為后續(xù)印制板組件中器件散熱提供了一種參考。