基于有限元的車載電路板多場熱應力分析

周嘉誠，劉 芳

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基于有限元的車載電路板多場熱應力分析

周嘉誠，劉 芳*

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073）

主要研究汽車在行駛中發動機發熱和芯片自身發熱對車載電路板組件產生的影響。運用有限元軟件ANSYS對發動機模塊電路板建模，分別施加芯片自身發熱、發動機工作溫度以及兩者共同作用三種情形下的熱載荷，進行溫度場熱應力分析，比較三種情況下的溫度場分布和熱變形情況。結果顯示：在實際車載工作環境中，發動機發熱是車載電路板產生熱變形的主要因素。電路板組件中最大離面位移出現在電路板中間一帶芯片處，上述芯片位置是電路板組件在芯片和發動機共同發熱條件下的最危險區域。

車載電路板；熱載荷；芯片；熱應力

0 引言

車載電子與機載電子在服役過程中，不可避免地會遭受高溫、振動、潮濕等惡劣環境的影響。根據美國Air Force Avionics Integrity Program的統計數據所列舉出的影響電子設備可靠性的主要環境因素中，溫度和受熱所占的比例高達55%[1]。隨著微電子技術的進步，也使電路板的芯片集成度不斷提高，芯片的功耗和發熱量也隨之增大。同時，在車載機載環境中，電子設備還會受到由發動機等動力部件工作發熱的影響[2]。由于材料各部分之間膨脹不均勻而彼此相互約束，熱效應不可避免的產生熱應力[3]。因此，為降低電路板的熱應力，提高其抗變形能力，改善產品的熱性能以及提高可靠性，分析電路板各溫度場特性及其熱變形必不可少。

目前，已經有不少的學者利用有限元軟件對電路板進行了受熱和溫度分析[4-8]，尤其是在航空航天的電子設備的熱分析上，已經做出了較為深入的研究，這些仿真模擬和實驗得出的結論，為電路板后續研究提供了寶貴的數據經驗。但是，對于我們日常使用汽車中的電子類產品，目前該方面的研究還比較少。因此，模擬出符合車載環境下的電路板的發熱和受熱條件，對在條件下的電路板進行熱應力分析，變得尤為重要。

本文研究對象為汽車車載電子設備中的印刷電路板。利用有限元軟件ANSYS建立模型，結合電路板上芯片發熱與汽車正常工作下的發熱情況對電路板組件施加熱載荷，分別模擬（1）僅受電路板上芯片發熱影響；（2）僅受汽車發動機工作溫度影響；（3）受電路板芯片發熱與發動機工作溫度共同影響等三種情況。首先對上述三種情況的電路板組件進行溫度場分析，其后根據實際情況施加約束條件并展開應力分析。最后觀察和比較的三種情況下電路板組件的溫度場分布與熱變形，找到電路板組件在該溫度場條件下的最危險位置。對于車載環境下的印制電路板受熱條件和結構變形的仿真模擬，對今后類似情況下的設計提供參考。

1 研究對象與有限元模型

本文中有限元模型實體來源于某品牌轎車發動機模塊中的一部分，位于發動機和駕駛室之間。如圖1所示，印制電路板長173mm，寬112mm，厚度2mm，電路板上主要有兩個邊長分別為15mm和22mm的正方形芯片，和若干長方形小芯片。具體電路板組件模型和芯片的編號如圖2所示。該電路板由印制電路板基板、硅芯片、電容和電線能元件構成。其中主要的發熱和受熱影響的是芯片，電容和電線因其功耗較小，故忽略不計。為了提高分析計算的效率，在有限元建模時將電路板中功率較大，發熱較高的芯片保留下來。同時，由于受熱時間不長且非熱循環載荷，故此處不考慮蠕變效應對電路板造成的影響。

圖1 印刷電路板

圖2 有限元模型

根據上訴條件將模型簡化，建立有限元模型。模型劃分的網格質量不僅關系到有限元計算的效率，而且關系到分析結果的準確性。網格劃分后，模型共生成113836個單元，144748個節點。進行熱應力分析時，可通過熱單元向結構單元轉換[9]。電路板及組件的材料性能參數如表1所示。

表1 電路板及組件材料參數

2 PCB溫度場下的熱應力分析

利用ANSYS有限元軟件分析時候，采用時序間接耦合的方式，按照相關場的先后循序進行分析，通過把第一次場分析的結果作為第二次場分析的載荷實現兩種場的耦合。在仿真分析前，定義分析的單元類型、材料屬性、網格劃分、載荷和約束等參數。上述條件設定后，先進行溫度場的熱分析，然后把熱分析結果數據當作結構力學分析的載荷，完成整個溫度場熱應力的分析過程[10]。

2.1 三種不同受熱情況下的PCB溫度場有限元分析

根據實際的汽車內部實際工作環境，環境初始溫度設為25℃，空氣自然對流系數為20W/(m2·℃)。對車載電路板進行分別模擬（1）僅受電路板上芯片發熱影響；（2）僅受汽車發動機工作溫度影響；（3）受電路板芯片發熱與發動機工作溫度共同影響等三種情況下的溫度場分析，其分析結果如圖3所示。

從圖3中可以看出三種受熱情況下PCB溫度分布情況。圖3(a)中顯示了僅受芯片發熱的電路板組件溫度分布圖，由于芯片自身發熱，電路板組件中，芯片位置溫度高于電路板其他位置。其中3號芯片功率最大，發熱最明顯。圖3(b)中顯示了僅受發動機發熱的電路板組件溫度分布圖，由于電路板前端靠近發動機，因此電路板前端區域溫度和熱量分布較高，后端區域溫度和熱量相對較低，溫度變化是由前往后逐漸降低的。圖3(c)中顯示了受芯片和發動機共同發熱下的電路板組件溫度分布圖，圖中溫度整體分布于圖3(b)趨勢相同，但是芯片處受熱有明顯不同。

通過對車載環境下PCB模型的溫度場分析，在實際應用中可以根據溫度的分布情況，選用合適的耐溫材料，在發動機等熱源與電路板接觸的路徑上增加隔熱保護層，采取必要的散熱設計[11]。大部分車載電子產品都對溫度很敏感，超過極限溫度時電子元件的性能將會收到嚴重影響，溫度大大超過工作溫度范圍，元件就可能會損壞[12]。溫度過高也會引起焊料的脫焊，大大降低焊點的可靠性。

圖3 三種情況下PCB溫度分布云圖

2.2 PCB變形的有限元分析

在溫度場下的熱分析后進行PCB的結構分析，首先進行單元類型轉換，并施加位移條件。在實際發動機模塊電路板中，在上端兩個頂角和下邊中間部位有四個螺栓孔，用來將電路板固定。因此，模擬為了跟實際情況相符，對上述螺栓孔部位施加合理約束。最后把熱分析獲得的溫度數據作為熱載荷導入，進行靜力場求解，得到各方向位移分布云圖如圖4所示[13]。

圖4 PCB位移分布云圖

圖4顯示了三種受熱情況下電路板的整體位移情況。從圖4(a)中可以看出，在僅受芯片發熱條件下，功率較大，發熱較高的3號和4號芯片出現明顯的離面位移。說明該處芯片存在較大的熱變形。從圖4(b)和(c)中得知，僅受發動機發熱與受芯片共同發熱作用下的電路板熱變形整體趨勢相同，由此可知，在實際車載環境中，發動機發熱是影響電路板熱變形的主要因素。此外，觀察b和c圖中的芯片情況，發現芯片整體都呈現出中間凹陷，四周翹起的狀態。由于該電路板芯片都屬于PQFP封裝形式，芯片引腳都在芯片四周邊緣[14]。因此，出現上圖熱變形，很容易造成芯片四周處引腳焊點過度拉伸甚至斷裂，從而導致電路板芯片失效，使得電路板可靠性降低[15]。

表2 三種情況下Z坐標軸方向的最大最小位移

圖5 PCB Z軸位移分布云圖

從靜力場分析結果中可以得到面內位移X、Y和離面位移Z的變形情況。在電路板組件中最容易引起失效部位是芯片和與芯片連接的焊點。對于芯片和焊點來說，里面位移Z方向的變形情況對其影響最大。如表2所示，下面是電路板在三種受熱情況下Z軸方向的最大最小位移。從表2中可以看出，三種情況下Z軸正向與負向最大值最小值變化差距并不大，但從圖5中觀察可得在芯片與發動機共同發熱下，電路板組件中的3號，4號和6號芯片都處于負向最大值區域，呈現明顯的凹陷狀態。因此，可以推斷該電路板組件中，由于受熱影響，3號，4號和6號芯片的引腳處焊點很容易失效，導致電路板整體可靠性降低。所以，上述芯片位置是該電路板組件的最危險處，在后續的設計與優化中需要重點改進。

3 結論

通過對車載電路板在三種不同受熱情況下的的溫度熱應力仿真分析，觀察電路板組件的溫度分布情況，可以確定不同發熱條件對電路板熱變形產生的影響。通過觀察電路板組件的熱變形位移情況，找到了工作環境下電路板組件最危險處。仿真結果表明：（1）在實際車載工作環境中，發動機發熱是車載電路板產生熱變形的主要因素；（2）電路板組件中最大離面位移出現在3號，4號和6號芯片處，即該電路板中間區域位置，上述位置是電路板組件該狀態下的最危險區域。對車載電路板的熱應力分析，為后續車載電路板的設計優化和散熱方式的選擇及安裝位置提供了參考。采用有限元模擬的方法能模擬出真實情況下電路板處于的環境溫度條件，能快速找到問題，對后續提高印制電路板的熱可靠性有很大意義。

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Thermal Stress Analysis of the PCB Assembly in Vehicle under Different Thermal Filed Based on Finite Element Method

ZHOU Jia-cheng, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

In order to study the influence of thermal produced by engine and chips to the PCB assembly in the vehicle under the driving car, the PCB in vehicle was taken as a study object by ANSYS. The the temperature field analysis and thermal stress analysis was carried out under the –thermal produced by chips, by engine and the both– three different thermal loadings. Comparing the distribution of temperature and thermal deformation under three different thermal loadings, the details of the PCB assembly can be obtained. The results showed that the thermal produced by engine played the major role in the thermal deformation of the PCB assembly under the working condition of the car. The maximum displacement of out-of-plane appeared the areas located on the PCB center. These areas of the chips were the most dangerous on the PCB assembly.

PCB Assembly in vehicle; thermal loading; chips; thermal stress

TN306

A

2095－414X(2017)06－0076－05

通訊作者：劉芳（1976-），女，副教授，博士后，研究方向：振動沖擊分析與控制.

湖北省教育廳科學研究計劃青年人才項目（No. Q20141608)；國家自然科學基金青年項目（No.11102141）.