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軟件對電子線路板做熱可靠性分析時的建模問題，通過仿真分析，得到如下兩點推論：（1）銅箔分布的不均勻性對PCB傳熱有重要的引導作用，因此在建模時應盡量予以考慮；（2）內部到外部熱阻小的發熱元件可以當作簡單方塊來處理，這樣就使整板的建模大大簡化。根據以上推論對一種新型星載電子線路板進行了ANSYS建模和計算，驗證了這種簡化建模方法具有足夠的準確性，使用方便。

關鍵詞： 特種三層線路板；熱分析；ANSYS建模

1引言

現代電子設備中廣泛使用了PCB電子線路板。隨著電子技術的發展，電路板上的布線密度越來越高，使得設備的體積功率密度大大增加，散熱問題日益突出。根據故障率統計，高溫是大多數電子元器件最嚴重的危害，它會直接導致元器件的失效，進而引起整個線路板的失效llJo因此，在設計、制造特種三層電子線路板時，必須進行熱可靠性方面的分析和計算。

有限元分析軟件ANSYS[2]在傳熱學分析方面具有強大的功能，非常適合分析各種熱可靠性問題。將ANSYS軟件應用于PCB熱可靠性分析的主要難點就是如何對電子線路板進行合理的ANSYS建模，在保證分析精度的同時滿足計算機的內存容量限制。

本文的工作，來源于對某型星載行波管用PCB線路板I馴所做的熱可靠性分析工作。該設備為單塊的PCB電路板，工作在封閉的高溫真空容器（衛星）內熱分析的目的，就是計算該電子設備中各元器件的溫度，確認其在規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線和元器件布置非常復雜，難以進行非常精確的建模。所以，必須對板上的各種元器件進行必要的簡化，從而建立恰當的ANSYS計算模型。

2 電子線路板簡化建模方法

該電子線路板的主要發熱器件為9個MOS管和6塊集成電路塊，這些元器件在工作時將大部分損耗功率轉化為熱量。因此，建模時主要需要考慮這嶼器件141。此外，還要考慮布置在PCB基板上，作為導線涂敷的銅箔[sJ。它們在設計中不但起到導電的作用，還起到傳導熱量的作用，其熱導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板的結構由環氧樹脂基板和作為導線涂敷的銅箔組成。

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

為了驗證銅箔對PCB板傳熱的影響，用ANSYS進行了模擬實驗，PCB的環氧樹脂基板上放置了兩個溫度恒定的銅塊，左邊的銅塊溫度設置為80"C，而右邊的銅塊溫度設置為20"C，PCB板的底部設置.20℃的恒溫作為傳導邊界。銅塊之間沒有加銅箔，而兩個銅塊間加了厚度僅有0.1ram的細銅箔。可以看出，盡管所加的銅箔很薄很細，卻對熱量有強烈的引導作用，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管的內部，是主要的發熱部分，測得的損耗功率為0.4W。首先，根據MOS管的結構圖，對安放在基板上的單個MOS管建立了詳細的ANSYS模型。然后，對小硅片加載0.4W的生熱率載荷，并在室溫32℃，自然空氣對流和自由輻射狀態下，計算MOS管的熱分布狀態。

MOS管在常溫下工作的最高溫度為74.5℃。而且，盡管MOS管是有復雜結構的空心體，但是內部和外表面的溫度只有幾度的差異。根據熱傳導分析，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，所以器件內部到表面的熱阻低，溫差很小。因此，在實際建模中可以把MOS管設置為簡單的實心體，只要與實際物體有相同的生熱率、輻射和對流散熱面積，就可以得到與詳細模型相同的模擬結果。

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

3實驗驗證

前面對電子線路板中與熱分析有關的3種主要部件進行了簡化建模處理，下面將這些簡化模型組合起來，建立了PCB線路板的整體ANSYS模型，，就可以進行分析計算。首先進行室溫下的模擬：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℃的卒氣自然對流，作為輻射邊界的環境溫度為室溫（32℃）計算得到熱場分布。

在本文的實際工作中，使用紅外熱像儀對該電子線路板在常溫空氣環境下的工作溫度進行了測量18J，一些測試點上溫度的計算值與實際測量值對比。

4結束語

根據前面的分析，在對特種三層電子線路板做熱可靠性分析時，在建模方面可以做出很大的簡化。而簡化的前提條件是：對于所要簡化的發熱器件，從內部的發熱部分到外部表面的熱阻應當非常小。只有這樣，才能把具有復雜內部結構的電子元件當作簡單方塊來建模處理。采用簡化建模方法對PCB電路板進行ANSYS熱分析，能大大減少計算機對內存的需求，而且計算時間也顯著縮短。實驗表明，該方法具有足夠的準確性，而且使用非常方便，能夠很好地完成對復雜電子線路板進行熱可靠分析的工作。