星載印制電路板的熱仿真

莊春躍， 劉寬耀， 劉偉平， 翁孚達

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

隨著高新技術的發展，電路模塊的集成度越來越高，同時多芯片模塊的大量應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。較嚴酷的熱環境應力可能導致電子元器件加速失效，從而引起整個產品的失效，降低了產品運行的可靠性［1］。因此，為了保證元器件及產品的熱可靠性，熱設計就顯得非常重要。

星載電子產品的熱設計不同于一般的電子產品，往往處于真空環境過程中，不存在對流換熱，熱量的轉移只能通過導熱和輻射換熱形式完成，且以導熱形式為主。因此，為保證產品熱量的順利轉移，結構布局設計的合理性就至關重要，需保證熱流路徑暢通。本文采用了一種“熱橋”結構來引導大功率芯片的散熱，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構組成，兩側邊分別為簡化的楔形鎖緊裝置，該鎖緊裝置與總體結構進行溫度傳導，其熱模型結構如圖1所示。

圖1 熱模型結構

1.2 模型參數

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構，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，故該方向上的導熱系數等同于FR4的導熱系數0.294 W/（m·K）。而沿印制板平面方向的導熱系數為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，兩者導熱系數默認一致，其計算簡化為ky=kcuVcu+kFR4（1-Vcu），可得該方向的導熱系數為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如表1所示。

表1 印制板芯片器件的參數表

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構連接的鎖緊裝置處。

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”結構，以保證熱流路徑暢通，更好地引導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”結構如圖4所示。

圖4 “熱橋”結構

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。整個熱模型結構忽略了小型安裝孔及標準件鎖緊件，簡化后增加“熱橋”的熱模型結構如圖5所示。

圖5 增加“熱橋”的熱模型結構

2.2 模型參數

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

圖6 散熱片外形

表3 散熱片參數表

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”結構能在一定程度上增加芯片器件在熱流路徑上的熱傳導，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系數，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，但導熱性能沒有紫銅高。鋁合金和鋁類似，但強度比鋁好。

厚度規格方面主要考慮加工性、安裝空間及重量等要求，根據經驗選擇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。不同材料及規格的散熱片在高溫工況下的器件中心點溫度分布結果如表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仿真結果可以看出，帶“熱橋”結構的器件中心點溫度均小于不帶有“熱橋”結構的器件中心點溫度。相同厚度規格的散熱片中，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。

因此一定厚度規格條件下，紫銅散熱片在熱流路徑上的導熱能力最強。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熱。

4 結束語

本文借助ANSYS/workbench對搭建“熱橋”結構前后的器件中心點溫度進行仿真分析，結果顯示該結構能增加芯片器件在熱流路徑上的熱傳導，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”結構這種形式為后續印制板組件中器件散熱提供了一種參考。