特種三層線路板熱可靠性分析方法的研究

王建兵 羅春雷 葉錦華

摘 要： 該文研究用ANSYS軟件對(duì)電子線路板做熱可靠性分析時(shí)的建模問題，通過仿真分析，得到如下兩點(diǎn)推論：（1）銅箔分布的不均勻性對(duì)PCB傳熱有重要的引導(dǎo)作用，因此在建模時(shí)應(yīng)盡量予以考慮；（2）內(nèi)部到外部熱阻小的發(fā)熱元件可以當(dāng)作簡(jiǎn)單方塊來處理，這樣就使整板的建模大大簡(jiǎn)化。根據(jù)以上推論對(duì)一種新型星載電子線路板進(jìn)行了ANSYS建模和計(jì)算，驗(yàn)證了這種簡(jiǎn)化建模方法具有足夠的準(zhǔn)確性，使用方便。

關(guān)鍵詞： 特種三層線路板；熱分析；ANSYS建模

1引言

現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛使用了PCB電子線路板。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路板上的布線密度越來越高，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加，散熱問題日益突出。根據(jù)故障率統(tǒng)計(jì)，高溫是大多數(shù)電子元器件最嚴(yán)重的危害，它會(huì)直接導(dǎo)致元器件的失效，進(jìn)而引起整個(gè)線路板的失效llJo因此，在設(shè)計(jì)、制造特種三層電子線路板時(shí)，必須進(jìn)行熱可靠性方面的分析和計(jì)算。

有限元分析軟件ANSYS[2]在傳熱學(xué)分析方面具有強(qiáng)大的功能，非常適合分析各種熱可靠性問題。將ANSYS軟件應(yīng)用于PCB熱可靠性分析的主要難點(diǎn)就是如何對(duì)電子線路板進(jìn)行合理的ANSYS建模，在保證分析精度的同時(shí)滿足計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量限制。

本文的工作，來源于對(duì)某型星載行波管用PCB線路板I馴所做的熱可靠性分析工作。該設(shè)備為單塊的PCB電路板，工作在封閉的高溫真空容器（衛(wèi)星）內(nèi)熱分析的目的，就是計(jì)算該電子設(shè)備中各元器件的溫度，確認(rèn)其在規(guī)定的工作條件下是否超過最高允許工作溫度。由于該電子線路板的導(dǎo)線和元器件布置非常復(fù)雜，難以進(jìn)行非常精確的建模。所以，必須對(duì)板上的各種元器件進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，從而建立恰當(dāng)?shù)腁NSYS計(jì)算模型。

2 電子線路板簡(jiǎn)化建模方法

該電子線路板的主要發(fā)熱器件為9個(gè)MOS管和6塊集成電路塊，這些元器件在工作時(shí)將大部分損耗功率轉(zhuǎn)化為熱量。因此，建模時(shí)主要需要考慮這嶼器件141。此外，還要考慮布置在PCB基板上，作為導(dǎo)線涂敷的銅箔[sJ。它們?cè)谠O(shè)計(jì)中不但起到導(dǎo)電的作用，還起到傳導(dǎo)熱量的作用，其熱導(dǎo)率和傳熱面積都比較大。

2.1 PCB基板的建模

印刷電路板16J（PCB）是電子電路不可缺少的組成部分，它既提供元器件之間的電氣連接，又是元器件的支撐板。PCB板的結(jié)構(gòu)由環(huán)氧樹脂基板和作為導(dǎo)線涂敷的銅箔組成。

環(huán)氧樹脂基板的厚度為4ram，銅箔的厚度為0.1mm。銅的導(dǎo)熱率為aoow/（m'C），而環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱率僅為0.276W/（m'C）。

為了驗(yàn)證銅箔對(duì)PCB板傳熱的影響，用ANSYS進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，PCB的環(huán)氧樹脂基板上放置了兩個(gè)溫度恒定的銅塊，左邊的銅塊溫度設(shè)置為80"C，而右邊的銅塊溫度設(shè)置為20"C，PCB板的底部設(shè)置.20℃的恒溫作為傳導(dǎo)邊界。銅塊之間沒有加銅箔，而兩個(gè)銅塊間加了厚度僅有0.1ram的細(xì)銅箔?？梢钥闯觯M管所加的銅箔很薄很細(xì)，卻對(duì)熱量有強(qiáng)烈的引導(dǎo)作用，因而在建模中是不能忽略的。

2.2 MOS管器件的建模與分析

MOS管由銅外殼、小硅片和二者之間起絕緣作用的氧化鈹陶瓷組成，熱導(dǎo)率分別為400W/（m'C）、3.2 W/（m'C）、和80 W/（m*C）[71。小硅片在MOS管的內(nèi)部，是主要的發(fā)熱部分，測(cè)得的損耗功率為0.4W。首先，根據(jù)MOS管的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)安放在基板上的單個(gè)MOS管建立了詳細(xì)的ANSYS模型。然后，對(duì)小硅片加載0.4W的生熱率載荷，并在室溫32℃，自然空氣對(duì)流和自由輻射狀態(tài)下，計(jì)算MOS管的熱分布狀態(tài)。

MOS管在常溫下工作的最高溫度為74.5℃。而且，盡管MOS管是有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空心體，但是內(nèi)部和外表面的溫度只有幾度的差異。根據(jù)熱傳導(dǎo)分析，由于該MOS元件的體積很小，且主要的傳熱材料（銅和氧化鈹）的傳熱性能都很好，所以器件內(nèi)部到表面的熱阻低，溫差很小。因此，在實(shí)際建模中可以把MOS管設(shè)置為簡(jiǎn)單的實(shí)心體，只要與實(shí)際物體有相同的生熱率、輻射和對(duì)流散熱面積，就可以得到與詳細(xì)模型相同的模擬結(jié)果。

為了驗(yàn)證前面的設(shè)想，本文進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)：在一塊PCB板上設(shè)置了兩塊MOS管模型，左邊是按實(shí)際結(jié)構(gòu)建立的復(fù)雜守心模型，右邊則是同樣外形的簡(jiǎn)單實(shí)心結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)MOS塊上施加同樣的0.4W發(fā)熱功率，通過熱分布圖來直觀地比較兩種不同建模方法的效果。模擬結(jié)果表明，不論是在常溫下（32℃），還是高溫工作環(huán)境下（60'c），這兩種模型所得到的效果是基本相同的。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

前面對(duì)電子線路板中與熱分析有關(guān)的3種主要部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化建模處理，下面將這些簡(jiǎn)化模型組合起來，建立了PCB線路板的整體ANSYS模型，，就可以進(jìn)行分析計(jì)算。首先進(jìn)行室溫下的模擬：以各電子元器件的損耗功率作為熱分析的生熱率載荷，PCB線路板表面施加32℃的卒氣自然對(duì)流，作為輻射邊界的環(huán)境溫度為室溫（32℃）計(jì)算得到熱場(chǎng)分布。

在本文的實(shí)際工作中，使用紅外熱像儀對(duì)該電子線路板在常溫空氣環(huán)境下的工作溫度進(jìn)行了測(cè)量18J，一些測(cè)試點(diǎn)上溫度的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比。

4結(jié)束語

根據(jù)前面的分析，在對(duì)特種三層電子線路板做熱可靠性分析時(shí)，在建模方面可以做出很大的簡(jiǎn)化。而簡(jiǎn)化的前提條件是：對(duì)于所要簡(jiǎn)化的發(fā)熱器件，從內(nèi)部的發(fā)熱部分到外部表面的熱阻應(yīng)當(dāng)非常小。只有這樣，才能把具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電子元件當(dāng)作簡(jiǎn)單方塊來建模處理。采用簡(jiǎn)化建模方法對(duì)PCB電路板進(jìn)行ANSYS熱分析，能大大減少計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)存的需求，而且計(jì)算時(shí)間也顯著縮短。實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有足夠的準(zhǔn)確性，而且使用非常方便，能夠很好地完成對(duì)復(fù)雜電子線路板進(jìn)行熱可靠分析的工作。