電子線路板熱可靠性分析方法探究

陳 寧

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州510656）

0 引言

本文提出的Flother m軟件在分析傳熱學方面起著巨大作用，尤其適用于電子線路板熱可靠性的分析與判斷。其在電子線路板熱可靠性分析中的應用，關鍵在于如何構建合理、有效的Flot her m模型，以期在確保精確度的同時，符合計算機內存的容量需求［1］。以PCB線路板為例，使用Flother m軟件進行熱可靠性分析，可通過獲取熱分析結果，精確計算電子設備中各個元器件作業的溫度，再與允許的工作溫度進行對比，據此判斷其是否處于超高溫的運行狀態。但電子線路板中導線與元器件的布局非常復雜，若想獲得精確的建模并不是簡單的事，那么就需要對各個元器件進行一定簡化，進而保障構建正確的計算模型。

1 電子線路板熱可靠性分析的建模

本文分析的電子線路板中，由9個 MOS管及6塊集成電路塊構成主要發熱器，當元器件處于工作狀態時，大部分的損耗功率就會轉變為熱量，那么在建模過程中就必須充分考慮元器件的簡化問題；對于作為導線敷設的銅箔來說，其布置到PCB基板中，在設計時既可發揮導電的作用，也可傳導部分熱量，且熱導率與傳熱面積相對較大。

1．1 PCB基板建模的方法

PCB基板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板主要包括作為導線涂敷的銅箔、環氧樹脂基板等，其中銅箔的厚度約為0．1 mm，環氧樹脂基板的厚度約為4 mm。為了證明使用銅箔會對PCB板傳熱造成影響，利用Flot her m軟件進行模擬實驗。在PCB的環氧樹脂基板中放置2個恒定溫度狀態下的銅塊，其中左邊銅塊的溫度約80℃，右邊銅塊的溫度約20℃，同時在PCB板的底部位置設計20℃的恒溫，以此作為傳導的邊界［23］。對比添加銅箔和未添加銅箔的情況，發現盡管所加的銅箔很薄很細，卻對熱量有強烈的引導作用，那么在建模過程中這一要素不可忽略。

1．2 MOS管器件建模的方法

MOS管器件主要包括硅片、底部銅合金散熱片、環氧樹脂殼體等，其熱導率分別為117．5 W／（m·℃）、301．5 W／（m·℃）及0．82 W／（m·℃）。在MOS管內部，硅片是非常重要的發熱部分，其功率約1 W；對MOS管進行建模，主要應考慮如下問題：（1）初級精度的仿真建模。假設 MOS管為一個簡單的實心體，結合其實際情況設置物理參數。（2）結合MOS管的內部結構，構建Flot her m軟件模型；當處于室溫（20℃）及高溫（60℃）的自然對流條件下，需要對MOS管的熱分布狀態進行分別計算。實驗結果表明，無論處于室溫（20℃）環境還是高溫（60℃）環境，通過模型計算的結果基本一致；雖然 MOS管的內部結構非常復雜，但是內部與外表面的溫度差異極小［4］；結合熱傳導效應分析，由于MOS管的體積相對較小，同時其主要材料具備良好的傳熱性能，因此從元器件的內部直到表面的熱阻較低，溫差也相對較小。那么在實際構建模型過程中，可以直接將MOS管假設為簡單的實心體，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。

為了驗證這一猜想過程的合理性，也可進行一次實驗：在同一塊PCB板中放置2塊MOS管模型，一邊按照實際結構構建了復雜的空心模型，另一邊按照同樣的外形簡化了實心體結構；在2個MOS塊上同樣施加0．4 W的發熱功率，比較2種不同建模方法的效果。結果表明，2種模型獲得的效果基本一致［5］。

1．3 集成電路塊建模的方法

首先，按照集成電路塊的實際結構進行建模，將相對較小的發熱硅體圍繞在氧化鋁陶瓷的外殼中，該陶瓷的導熱系數是21。通過引腳與底板連接整個元件，引腳的厚度約0．1 mm。為了能夠將模型簡化，遵循“同熱導率”的原則，將原本分立的引腳合并。實驗表明，盡管對集成電路塊的結構進行了精確的建模，但是元器件內部與表面的溫差相對較小。因此，采用與前面MOS管相同的分析方法，可以證明集成電路塊的建模也可以用簡單的方塊來代替［6］。

以上分析證明：在PCB電路板中，MOS管與集成電路塊都可通過簡化的方式建模，不會對最終結果造成影響。

2 實驗與驗證

完成對電子線路板中與熱分析相關的元器件簡化建模之后，需要將各部分的簡化模型組合起來，構建一個完整的PCB線路板Flother m模型，并對其結果進行計算與分析：首先，在室溫條件下進行模擬。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20℃的空氣自然對流，作為輻射邊界的環境溫度為室溫（20℃），計算熱分布狀況［7］。

結合實際工作應用來看，可以利用紅外熱像儀設備測量電子線路板在常溫下的工作溫度，將測試點位置的計算值和實際測量數值進行比較。由于在該模型中進行了一系列的簡化處理，因此計算值的誤差可以控制在一定范圍內。從表1來看，利用Flot her m軟件計算溫度分布狀況，與實測值的結果基本相符，可見簡化建模的方法方便、可行。

前面的實驗是在室溫環境下進行的，但是在實際工作中PCB電路板所處環境可能有差別，因此就不能用以上的實驗方法測量溫度場分布狀況。那么根據簡化建模的思想，也可利用軟件來模擬電子線路板在真空環境中的溫度場分布。例如，將散熱片安裝到PCB線路板的頂端，此時PCB基板和散熱片底板連接，同時接入了60℃的冷卻空調。在模型計算中，分別在基板與散熱片的底部設置傳熱邊界條件。根據最終的結果來看，在冷卻空調正常工作的條件下，器件最高溫度僅略高于空調溫度，滿足安全工作范圍［8］；相反，如果模擬冷卻空調失效的狀態，僅依靠輻射方式來散熱，那么MOS管的最高溫度將超過安全工作范圍。

表1 溫度計算值和測量值的比較分析

3 結語

在對PCB電子線路板作熱可靠性分析時，在建模方面可以進行很大簡化，這樣更利于建模操作。針對需要簡化的發熱元器件，由于從內部直到外部表面的熱阻相對較小，將原本結構復雜的電子元件作為簡單模塊來處理，使用Flother m軟件對PCB電子線路板進行熱分析，可降低計算機對內存的要求，同時提高了計算效率和精確度。實驗結果表明，該方法有良好的科學性、合理性、可操作性，并且便于使用，能夠很好地完成對復雜電子線路板的熱可靠性分析工作，具有廣泛的應用空間及應用價值。

［1］曹柏榮，郁海華．基于VB的電子線路板自動測試系統設計［J］．自動化儀表，2007（11）

［2］謝啟，高琴妹，顧啟民．基于Lab VIEW的電子線路板測試系統的實現［J］．機床與液壓，2006（1）

［3］梁定民．超聲／化學綜合處理線路板有機廢水的研究與應用［D］．長沙：中南大學，2011

［4］莊表中，何姍．強沖擊情況下的電子線路板抗沖擊技術［J］．振動與沖擊，2006（1）

［5］李玉文，孫偉光，邢佳．廢棄電子線路板回收處理技術研究進展［J］．環境科學與管理，2008（8）

［6］白永平，張泓喆．電子線路板用離型膜的研制［A］．2007春季國際PCB技術／信息論壇論文集［C］，2007

［7］段曉健，王前波，張謙，等．電子線路板電阻在線測試儀的研究［J］．數字技術與應用，2011（6）

［8］潘君齊，劉志峰，張洪潮．超臨界流體廢棄線路板回收工藝［J］．合肥工業大學學報：自然科學版，2007（10）