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品的性能下降或變得不穩(wěn)定，甚至會導致電子產品損壞，直接影響電子產品的可靠性[2]。相關數據表明，電子產品故障有55%是與過熱環(huán)境有關[3]。PCB是電子產品的重要組成部分。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品[3]。因此，在電子產品設計過程中對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驗對電子產品進行熱設計，但是經驗方法具有很大的主觀性，且很難獲取定量的熱設計結果。一旦出現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品的數值模型，并通過數值計算和圖像顯示來獲得電子產品的熱設計結果。熱仿真方法能夠在設計電子產品的初始階段得到產品熱數據。設計人員可以根據熱數據修改設計，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外電子產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生很大的影響，因此不管大小如何都應留下；幾乎不產生功耗的元器件，如果尺寸較大則會對流場產生影響，所以也要留下。這部分元器件的封裝結構和材料性質各異，所以必須簡化其結構。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構和小的熱容量，產生的熱量對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是針對電子產品熱分析的專業(yè)分析軟件，可以實現電子產品的建模、網格劃分、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)內能；ΔKE為系統(tǒng)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。

對于多數工程傳熱問題：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格劃分，然后選擇六面體主導網格(Mesher-HD)進行全局計算，周圍采用粗略網格設置，因PCB板厚度方向尺寸較小，劃分網格時在此方向采用精細網格設置。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ANSYS Icepak針對設置的參數，自動計算的雷諾數和瑞利數，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，根據表2中的數據，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果可得到以下結論：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。