基于Icepak的板級電路的熱設計及熱仿真分析

王婷，鄒穎，李哲，楊曉慶

(四川大學電子信息學院，成都 610065)

0 引言

近年來，現(xiàn)代工業(yè)和科學技術發(fā)展迅速，小型化、集成化是設備、元件器等電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。電子元器件體積不斷縮小但功率密度卻快速增加，導致電子產(chǎn)品工作功耗和發(fā)熱量的急劇增大；同時印刷電路板(PCB)上的元器件安裝朝著高密度方向發(fā)展，這也使得元器件的散熱空間越來越小，元器件的熱流密度急劇增高[1]。元器件過熱會導致電子產(chǎn)品的性能下降或變得不穩(wěn)定，甚至會導致電子產(chǎn)品損壞，直接影響電子產(chǎn)品的可靠性[2]。相關數(shù)據(jù)表明，電子產(chǎn)品故障有55%是與過熱環(huán)境有關[3]。PCB是電子產(chǎn)品的重要組成部分。其設計是否合理將直接影響設備的性能，嚴重時甚至會損壞電子產(chǎn)品[3]。因此，在電子產(chǎn)品設計過程中對PCB板進行熱設計變得越來越重要已然不能忽略。

熱設計主要包括傳統(tǒng)方法和仿真計算方法。傳統(tǒng)方法是指設計人員憑借過去的經(jīng)驗對電子產(chǎn)品進行熱設計，但是經(jīng)驗方法具有很大的主觀性，且很難獲取定量的熱設計結(jié)果。一旦出現(xiàn)嚴重的熱設計不合理的情況，依照傳統(tǒng)的設計—實驗—修改方案—再實驗的方法，生產(chǎn)周期將很長，過程也很復雜。仿真計算方法指使用計算軟件構建電子產(chǎn)品的數(shù)值模型，并通過數(shù)值計算和圖像顯示來獲得電子產(chǎn)品的熱設計結(jié)果。熱仿真方法能夠在設計電子產(chǎn)品的初始階段得到產(chǎn)品熱數(shù)據(jù)。設計人員可以根據(jù)熱數(shù)據(jù)修改設計，從而節(jié)省研發(fā)時間并降低了開發(fā)成本。熱仿真方法是目前國內(nèi)外電子產(chǎn)品可靠性分析的主要分析方法之一[4]。

本文以某電路板為例展開熱仿真分析，對該板級電路建立了三維熱仿真分析模型。然后根據(jù)熱傳學理論，利用熱仿真軟件Icepak對板級電路進行仿真分析，得到了電路板溫度的分布情況。通過對熱仿真結(jié)果的分析，為板級電路布局設計提供了一定的理論基礎，對電路板的布局設計有著重要參考價值。

1 建立板級電路三維有限元模型

1.1 模型簡化假設

實際的板級電路是由PCB板和其上的元器件組成的，對正常工作情況下的板級電路進行熱仿真分析時，需要合理簡化板級電路的結(jié)構讓其變成計算機仿真分析模型[5]。合理簡化具有特定物理和幾何特征的板級電路是獲得正確熱仿真結(jié)果的重點[6-7]。首先對表面貼裝元器件進行簡化。功耗大的元器件將對溫度場產(chǎn)生很大的影響，因此不管大小如何都應留下；幾乎不產(chǎn)生功耗的元器件，如果尺寸較大則會對流場產(chǎn)生影響，所以也要留下。這部分元器件的封裝結(jié)構和材料性質(zhì)各異，所以必須簡化其結(jié)構。具有常規(guī)形狀的元器件，在熱仿真過程中忽略引腳，使用長方體或圓柱體予以替換。除此以外，PCB上的片狀電容、電阻具有小的外形結(jié)構和小的熱容量，產(chǎn)生的熱量對PCB的溫度場分布影響很小，因此在熱仿真時可以忽略不計。

對于PCB，建模時主要考慮層數(shù)和其上的金屬布線對PCB性能的影響。對于有金屬布線以及多層的PCB，其材料參數(shù)是各向異性的。對于各向異性材料的PCB，可以使用平均材料參數(shù)的方法來簡化。并且忽略PCB板上各種小圓角、倒角和孔洞等結(jié)構[8]。

1.2 建立板級電路熱仿真分析模型

在本文中，板級電路熱仿真分析模型的建立和熱仿真使用熱仿真軟件ANSYS Icepak完成。ANSYS Icepak是針對電子產(chǎn)品熱分析的專業(yè)分析軟件，可以實現(xiàn)電子產(chǎn)品的建模、網(wǎng)格劃分、求解計算和后處理等工作。在建立熱仿真分析模型的過程中，對電路板進行了合理簡化，可利用ANSYS的實體建模功能建立了簡單的板級電路熱仿真分析模型。本文仿真計算的板級電路主要包括基板PCB和一個發(fā)熱元器件U1，圖1為該板級電路實體模型圖。其中，PCB是6層板，尺寸為55mm×42mm×1.8mm，PCB材料為絕緣材料FR4并覆銅。根據(jù)上一節(jié)模型簡化假設，除了發(fā)熱元器件U1其他元器件均可忽略。建模時將元器件定義為三維塊體，材料選擇在Icepak中自定義的封裝材料。表1列出了各個組件的名稱、尺寸、功率和生熱率。

圖1 板級電路實體模型

表1 板級電路各組件名稱、尺寸、功率及生熱率

2 Icepak熱仿真分析

2.1 傳熱學理論

在熱力學中，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律也稱為熱力學第一定律[9]，即：

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中，Q為熱量；W為功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。

對于多數(shù)工程傳熱問題：ΔKE=ΔPE=0，通常認為沒有做功：W=0，則Q=ΔU。

在穩(wěn)態(tài)熱分析情況下：Q=ΔU=0；

在瞬態(tài)熱分析情況下：q=dU/dt。

熱傳導的控制方程為[9]：

(2)

2.2 熱仿真分析

在ANSYS Icepak中對PCB進行熱仿真分析時，首先對板級電路熱仿真模型進行網(wǎng)格劃分，然后選擇六面體主導網(wǎng)格(Mesher-HD)進行全局計算，周圍采用粗略網(wǎng)格設置，因PCB板厚度方向尺寸較小，劃分網(wǎng)格時在此方向采用精細網(wǎng)格設置。邊界條件的設定：計算區(qū)域6個面設定為開口(Openings)類型，選擇自然對流模型Bouss-inesq approximation。根據(jù)ANSYS Icepak針對設置的參數(shù)，自動計算的雷諾數(shù)和瑞利數(shù)，流態(tài)選擇Turbulent湍流，使用Zero equation零方程模型。設置重力方向與求解初始化速度0.15 m/s，并開啟輻射換熱方式。環(huán)境溫度設為20℃。設置求解器的壓力項和動量項迭代因子、迭代步數(shù)及收斂殘差就可開始仿真。

此次主要研究發(fā)熱元器件U1在PCB板不同位置時對板級電路溫度場的影響。令U1從PCB板左上角開始移動，為了更好地描述，在PCB板上建立坐標系，圖2為該板級電路坐標圖。把PCB板左上角設置為原點，橫向為X軸，縱向為Y軸。當發(fā)熱元器件U1在坐標原點時，記為位移(0，0)，即發(fā)熱元器件U1在PCB板上沿X 方向移動了0mm，沿Y方向移動了0mm。U1沿X方向時，每次移動10mm；沿Y方向位移時，每次移動5mm。(15，20)表示發(fā)熱元器件U1從左上角的坐標原點開始沿X方向移動了15mm，沿Y方向移動了20mm。

圖2 板級電路坐標圖

本文對元器件U1在PCB基板上不同位置時進行熱仿真分析，圖3～5為位移(0，5)、(10，25)、(30，30)、(20，15)時，板級電路的溫度分布圖。

圖3 元器件U1位移(0，5)

圖4 元器件U1位移(10，25)

圖5 元器件U1位移(30，30)

圖6 元器件U1位移(20，15)

3 熱仿真結(jié)果分析

當發(fā)熱元器件U1在PCB不同位置時，板級電路的最高溫度值如表2所示。為了方便看出U1在PCB不同位置時對板級電路的影響，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，整理出了如圖7、圖8所示的折線圖。圖7的橫向坐標軸是U1在PCB基板上沿X方向的位移量，縱坐標軸是板級電路的最高溫度。圖8的橫坐標軸是U1在PCB基板上沿Y方向的位移量，縱向坐標軸是板級電路的最高溫度。

表2 板級電路最高溫度

圖7 元器件沿X方向位移時溫度曲線

圖8 元器件沿Y方向位移時溫度曲線

由圖7、圖8可以看出，元器件在Y方向位置保持不變時，沿x方向移動0～25mm時，板級電路的最高溫度逐漸降低；而后隨著位移數(shù)值的增大，沿x方向移動25～40mm，板級電路的最高溫度逐漸增加。元器件在x方向位置保持不變時，沿y方向移動0～15mm時，板級電路的溫度逐漸降低；而后隨著位移數(shù)值隨之增大，沿y方向移動15～30mm，板級電路的最高溫度逐漸增大。從上述分析可以知道，當發(fā)熱元器件U1在PCB基板邊緣時，板級電路的最高溫度最高。在U1向PCB中心位置移動過程中，電路板的最高溫度漸漸降低。U1在PCB中心位置時板級電路的最高溫度是最低的。U1在板級電路不同位置時，板級電路最高溫度最大相差約18.2℃。

4 結(jié)語

利用有限元分析軟件ANSYS Icepak，針對某板級電路建立了熱仿真分析模型，并基于有限元理論進行了熱仿真分析，得到了板級電路的溫度場分布情況。通過對發(fā)熱元器件U1在板級電路上不同位置時進行熱仿真分析，并比對分析熱仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論：在相同環(huán)境條件下﹐發(fā)熱元器件在PCB上不同位置時會產(chǎn)生不同的溫度分布﹐板級電路元器件的位置對板級電路的溫度有著重要影響。發(fā)熱元器件在PCB板的邊緣位置時，板級電路的最高溫度是最高的。隨著發(fā)熱元器件U1逐漸向板級電路的中心位置移動，整個板級電路的最高溫度逐漸降低。U1在板級電路中心時的最高溫度﹑溫差時最小的，與U1在邊緣位置時的最高溫度最大相差18.2℃。因此設計電路板時，發(fā)熱元器件位置不可以過于靠近PCB板邊緣，避免板級電路溫度過高，防止溫度過高而導致電子設備發(fā)生損壞。板級電路布局時，應盡量將發(fā)熱元器件放在板級電路的中心位置，留出足夠的散熱空間以獲得較好的散熱效果。這將使得板級電路的最高溫度減小，并且整個PCB板溫度場的分布也將變得更加趨于平緩，從而減小了熱應力的產(chǎn)生，提高了元件器和板級電路的熱可靠性。

本文通過對板級電路的熱仿真分析證明了發(fā)熱元器件在PCB板上的位置對板級電路的溫度有著重要影響。合理的布局可以降低板級電路的最高溫度，也將使得板級電路的溫度分布變得平緩，提高了板級電路的熱可靠性。這為板級電路的布局設計提供了一定的理論基礎﹐對板級電路的研發(fā)具有重要意義。