基于ANSYS的電路板組件熱仿真及試驗驗證研究

摘 要：熱仿真對于優化產品熱設計、提高電子設備可靠性具有重要的作用，特別適用于大功耗發熱電子組件及設備。基于ANASYS軟件中的參數化設計語言建立電路板及其組件實體模型，通過熱學有限元分析（穩態熱學特性分析、瞬態熱學特性分析）給出熱分析結果（溫度分布云圖），結合熱測試給出熱應力分布云圖，綜合考慮應變疲勞模型、累計損傷模型和經驗模型，最終給出電路板組件潛在的薄弱部位。本文以某型電路板為例，通過熱仿真分析給出電路板潛在的高發熱點和耐熱薄弱環節，為電路板結構的優化及布局提供數據支撐，進一步提升電子產品的可靠性。

關鍵詞：熱仿真；電路板組件；有限元分析；潛在故障；可靠性

中圖分類號：TN761 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0029-06

Research on Thermal Simulation and Experimental Verification of

PCB Based on ANSYS

WANG Hongtao，GAO Jun，WEN Wu，LU Jiafeng

（Guangdong Ke Jian Testing Engineering Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

Abstract：Thermal simulation plays an important role in optimizing the thermal design of products and improving the reliability of electronic devices，especially for large power consumption heating electronic components and equipment. Based on the parameterized design language of ANASYS software，the circuit board and its component entity model are established. The thermal analysis results（temperature distribution cloud chart）are given by thermal finite element analysis（steady thermal analysis and transient thermal characteristics analysis）. The thermal stress distribution cloud chart is given by the heat test，and the strain fatigue model is considered synthetically. Cumulative damage model and empirical model are used to give potential weak parts of PCB. In this paper，a certain type of circuit board is taken as an example to give the potential hot spots and heat-resistant weak links of the circuit board through the thermal simulation analysis. It provides data support for the optimization and layout of the circuit board structure and further improves the reliability of the electronic products.

Keywords：thermal simulation；printed circuit board assembly；finite element method；potential fault；reliability

0 引 言

隨著現代工業和科學技術的飛速發展，電子設備性能、功能不斷完善，小型化、集成化以及高計算能力成為電子產品的發展方向。與此同時，印制電路板組件（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）密度逐漸增高，單位面積上的元器件功率消耗和熱流密度不斷增加，散熱問題日益嚴重[1-3]。印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）作為元器件的載體，必須具有良好的散熱性能，元器件過熱會使電子設備性能惡化或不穩定，甚至導致電子設備發生故障，直接影響電子產品的可靠性[4]。因此，PCBA的熱設計在電子設備設計過程中不可忽視。

熱設計主要包括傳統方法和仿真計算方法，傳統方法是指基于工程師以往經驗，經驗豐富的工程師可以在熱源控制、發熱器件布局、流道設計、散熱等方面采取措施較好地實現熱設計，但是經驗缺乏的工程師往往可能出現嚴重的熱設計不合理的情況，憑借經驗方法主觀性影響大且難以獲得定量的熱設計結果；熱仿真方法具有獲取信息多、周期短、成本低，可在產品設計初始階段提供改進設計數據支撐的特點，成為當前國內外電子設備可靠性分析的主要分析方法之一[5]。本文以某電路故障物理仿真研究為例，闡述了熱仿真分析在PCBA可靠性提高中的作用，通過電路實物熱測試結果與熱仿真得到的電路板的瞬態和穩態溫度分布結果進行對比研究，顯示仿真與實測誤差不超過±2℃，并在此基礎上開展熱應力分析，確定熱應力敏感的薄弱元器件。

1 ANSYS軟件和PCBA簡介

1.1 ANSYS軟件介紹

ANSYS屬于大型通用有限元分析軟件，擁有一個多用途的有限元法計算機設計程序軟件包。整個軟件包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊，前處理模塊具體是指一個實體建模及網格劃分工具，可以實現有限元模型方便的構建；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以可視化方式輸出，包括：彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。[6]

在熱仿真分析中，ANSYS程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射，對熱傳遞的三種類型均可進行穩態和瞬態、線性和非線性分析。另外，熱分析還具有模擬熱與結構應力之間的熱-結構耦合分析能力[7]。

1.2 PCBA簡介

本文選用某一型號電路板為例開展熱仿真分析，圖1給出了本次仿真試驗產品的實物圖，圖2給出該產品電子器件布局圖。

該受試電路板樣品電子器件主要包括：電容、電阻、二極管、MOS管、微控制器、存儲器、時基電路、芯片、晶振、磁保持繼電器、穩壓器等，表1給出主要元器件及其功耗。

表1 主要元器件及其功耗

組件代號功耗/W

微控制器LM3S9B81D10.066

數據采集-模數轉換器MAX1031BEEGD20.667

存儲器FM24C128AD30.03125

時基電路LM555JD40.76

CAN接口芯片CTM1050TD50.27825

數字隔離器ADUM5401N20.5

三端穩壓器78D33SN37

DC/DC電源模塊SWH03-12S05N110

晶振GZPB-26-16-V3.3-D2G115

電阻—0.1

二極管—0.5

電容—0.05

2 PCBA熱仿真分析

2.1 方案設計

為實現PCBA各薄弱點的暴露，有針對性地進行優化改進，提高電路板的可靠性，圖3給出可靠性仿真試驗方案設計流程。

熱仿真方案以典型全壽命周期熱應力剖面為輸入，通過有限元進行軟件分析，模擬電子組件穩態和瞬態熱學特性，獲得組件內溫度分布云圖。采用高速紅外測試儀測試樣品的熱響應分布，通過對比試驗實測結果與仿真結果，進行過熱應力分析。結合應變的疲勞模型、累積損傷模型和經驗模型，確定對熱應力敏感的薄弱元器件。

2.2 熱仿真建模

運用ANSYS參數化設計語言（Ansys Parameter Design Language，APDL）建立PCB及其組件實體模型并劃分網格，有限元實體及網格劃分模型如圖4所示。

由于結構比較復雜，為了在保證計算的精度的同時加快計算收斂時間，在熱-結構耦合分析中，采用順序耦合分析方法，采用多個物理分析，一個一個按順序分析，第一個物理分析的結果作為第二個物理分析的載荷，基本物理載荷作為名義邊界條件。首先采用PLANE55，SOLID87熱分析單元進行溫度場求解，然后將熱單元轉換為響應的結構單元，并將求得的節點溫度作為體載荷加到模型上再進行結構應力分析，即添加各材料的楊氏模量和熱膨脹系數等參數，再將熱分析的結果作為熱載荷施加在各個節點上，從而求解得到相應的熱-結構耦合分析結果。

2.3 有限元仿真分析

溫度場是各個時刻物體內各點溫度分布的總稱。由傅立葉定律知：物體導熱熱流量與溫度變化率有關，所以研究物體導熱必然涉及物體的溫度分布。另外，物體的溫度分布是坐標和時間的函數。由于瞬態熱分析是指用于計算系統隨時間變化的溫度場和其他熱參數，在工程中一般用瞬態熱分析計算溫度場，并找到溫度梯度最大的時間點，將此時間點的溫度場作為熱載荷進行應力計算與分析。設初始溫度為5℃，熱平衡后PCB板的初始溫度分布為圖5（a）所示。當其進入某個溫度較高（如30℃）的外部儲存環境中時，PCB板與外部環境間通過對流及PCB板上各器件之間的熱傳導會形成溫度的重新分布，其過程是一個瞬態熱力學問題，隨著時間的推移，最終達到溫度的平衡。提取PCB板60s、180s后的溫度分布如圖5（b）、（c）所示。結果顯示中部熱響應最為迅速。

溫度分布不均會導致部件產生熱應力，PCB板放入溫度為50℃的外部環境中，180S后熱應力計算結果如圖6（a）所示，最大米澤斯熱應力約36.8MPa。圖6（b）所示為PCB板的熱變形。可見電源接插口和中部的電容出現較大的熱應力。接插口主要是與PCB板材較大的熱膨脹系數差導致此處出現較明顯的熱應力。同時電容部位由于熱響應較大，從熱出現較大的熱變形，導致電容附近出現較大熱應力。

考慮通電情況，計算時在主要器件功耗如表1所示，環境溫度為17℃。仿真結果如圖7所示，主要器件仿真溫度結果如表2所示。

表2 主要器件有限分析溫度計算結果（取均值）

時間/sD1N1G1N3D4

6019.229.422.121.921.7

18025.232.723.723.122.4

30026.933.424.023.623.3

3 仿真結果試驗驗證

在加電工作狀態下，采用手持式紅外熱成像儀（Fluke Tis65，測量精度±2℃）分別監測電路板在60s、180s和300s時間點的熱分布，然后利用溫度巡檢儀（J型熱電偶，測量精度1℃）監測關鍵熱點的實際溫度。通過紅外熱成像儀獲得的器件各溫度狀況如圖8所示，各溫度點實測溫度如表3所示。

表3 主要器件試驗溫度分析結果

時間/sD1N1G1N3D4

6018.330.121.520.420.9

18024.531.623.122.721.9

30026.232.122.722.722.9

對比表2仿真溫度和表3試驗實測溫度結果，發現仿真分析與試驗結果誤差在±2℃以內，考慮到儀器的測量精度為±1℃，可以認為基于ANASY軟件搭建的熱仿真可以真實地反映電路板實際的熱分布及熱應力情況。

通過對PCBA樣品進行熱響應分析和熱應力分析仿真和實驗驗證，發現樣品可能存在如下潛在的薄弱點：

（1）中部電容存在較大的熱應力，在貯存過程中存在熱應力導致焊點斷裂的潛在風險；

（2）接插件熱應力較大，可能導致接插位置接觸不嚴、接觸電阻增加或斷路。

4 結 論

本文運用ANSYS參數化設計語言建立了PCB及其組件三維仿真實體模型，以典型全壽命周期熱應力剖面為輸入，通過有限元分析軟件分析，給出電路板的瞬態和穩態溫度分布，進行熱過應力分析，結合試驗驗證結果，確定對熱應力敏感的薄弱元器件。通過有效的具有較高可靠性的熱仿真技術在樣品設計階段就可以確認電子組件的熱設計是否滿足要求，找出相對薄弱環節以及易發故障位置，有針對性地進行改進，進一步提升電子產品的可靠性。

參考文獻：

[1] 崔佳濤，孟照魁，章博，等.慣性導航系統電子設備熱仿真研究 [J].國外電子測量技術，2007（4）：12-14.

[2] 李承隆.電子產品熱設計及熱仿真技術應用的研究 [D].成都：電子科技大學，2010.

[3] 顧林衛.電子系統的熱仿真及熱測試研究 [J].現代雷達，2011，33（3）：78-80.

[4] 何偉.電子設備散熱特性分析與仿真方法研究 [D].成都：電子科技大學，2011.

[5] 盧錫銘.電子設備熱仿真及熱測試技術研究 [J].艦船電子對抗，2013，36（3）：118-120.

[6] 王開山，李傳日，郭恒暉，等.基于相關性分析的PCBA熱力學模型修正 [J].裝備環境工程，2014，11（5）：119-124.

[7] 馬巖.印制電路板詳細模型的熱仿真分析 [J].機械設計與制造工程，2016，45（1）：52-55.

作者簡介：王紅濤（1990-），男，山東金鄉人，技術工程師，碩士。研究方向：儀器設備產品質量與可靠性工作；高軍（1978-），男，高級工程師，碩士。研究方向：民品、軍品質量與可靠性研究工作；文武（1989-），男，技術工程師，碩士。研究方向：醫療器械質量與可靠性研究工作；盧家鋒（1988-），男，技術工程師，碩士。研究方向：機器人質量與可靠性研究工作。通信作者為王紅濤。