基于有限元分析的PCB散熱性能研究

冀林仙，馬鈺凱

(運城學院 物理與電子工程系，山西 運城 044000)

隨著電子信息技術的迅速發展，印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)上搭載的電子元器件朝著高密度化、高功耗化、微型化方向發展。電子元器件的高功耗導致了PCB熱流密度增加，相應的電子產品工作的環境溫度也發生了極大變化[1]。PCB與集成電路(Integrated Circuit，IC)之間存在多種材料，不同材料熱膨脹系數的差異，使得材料界面處產生熱應力，造成芯片故障。此時，芯片在更高的溫度下工作會增加其內阻，導致信號延時傳輸，降低工作效率[2]。因此，對PCB進行熱設計與熱分析，及時將芯片產生的熱量傳輸到外界是提高產品可靠性的關鍵。目前，解決PCB散熱有多種設計方案，如增加散熱器、采用高導熱材料作基板、采用金屬基板、嵌入銅塊、設計密集散熱孔等[3-6]。采用實驗方法研究PCB散熱，費時費力，實驗周期長，成本高[7]。鑒于此，針對集成芯片的PCB散熱問題，本文借助Solidworks構建模型，討論對流方式對PCB表面溫度的影響，分析PCB表面溫度隨時間的變化規律，研究導熱層對PCB散熱的影響，為PCB熱設計提供一定的理論指導。

1. PCB散熱模型

PCB散熱模型如圖1所示。PCB材料為FR4，PCB為直徑70 mm，厚度5 mm的圓柱體，PCB上芯片材料為Si，尺寸為30 mm×30 mm×3 mm的長方體。芯片與PCB之間通過導熱膠粘合在一起，膠層厚度為25 μm。

圖1 PCB散熱仿真模型

熱傳遞包括熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式。由于PCB的表面輻射系數很小,熱輻射傳熱不到總熱量的1%，所以芯片的散熱主要通過熱傳導和熱對流，數值模擬時忽略熱輻射。

熱傳導遵從傅里葉定律，表達式為：

(1)

熱對流服從牛頓散熱公式：

Φ=hX△t

(2)

式中h為熱對流常數，單位為W/(m2·K)，X為表面積，Δt為流體與物體表面的溫差。

PCB散熱仿真主要參數列舉于表1。

表1 PCB散熱仿真主要參數

2. 結果與分析

2.1 自然對流下PCB表面熱分布

2.1.1 穩態熱分布

PCB穩態熱分布是在自然對流條件下，芯片產生的熱量傳導給PCB，經過足夠長的時間，熱流量達到平衡且溫度場穩定的過程。PCB穩態熱仿真設定總環境溫度為25 ℃。當芯片發熱功率P為1 W、5 W、10 W、15 W、20 W、25 W時，PCB表面溫度隨P的變化曲線如圖2所示。Tmax為PCB表面最高溫度。Tmin為PCB表面最低溫度。

圖2 PCB表面溫度隨芯片發熱功率的變化

由圖2可知，PCB表面最高溫度、最低溫度與芯片的發熱功率成正比，滿足表達式：

Tmax=8.517P+24.85

(3)

Tmin=0.024P+24.85

(4)

隨著芯片發熱功率的增大，PCB上各部分的溫度增加。芯片發熱功率越大，產生的熱量越多，熱量通過熱傳導方式在芯片與PCB上延伸，更多的熱量堆積于芯片與PCB相接觸的界面，導致此處溫度更高[8]。因此，PCB表面溫度隨著芯片的發熱功率的增加而不斷增大。隨著電子芯片尺寸的微型化，芯片呈現出越來越高的熱流密度，芯片溫度的控制與熱量的散發至關重要。對于穩定持續工作的電子芯片，芯片結溫不能超過所允許的120 ℃最大極限值。溫度過高，會造成芯片損壞[9]。數值模擬結果表明，芯片的發熱功率在25 W時，PCB表面最高溫度達到237.774 ℃，遠遠超過芯片結溫極限值，因此需要采取措施改善PCB散熱性能，如安裝外部散熱裝置。

2.1.2 瞬態熱分布

PCB穩態熱力分析表明，芯片在運行一段時間后，熱流量會變得穩定，溫度場會達到平衡。為了深入了解PCB表面溫度隨時間的變化規律，選取芯片發熱功率25 W時，PCB表面最高溫點A進行研究，獲得了1000 s內A點溫度隨時間的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，自然對流作用下，芯片發熱引起PCB表面點A的溫度隨時間快速上升，在180 s時，A點溫度達到200 ℃。之后則緩慢增長，在400 s之后接近穩態分析測定的溫度。PCB表面溫度先快后慢的變化趨勢表明，PCB散熱研究需要及時檢測芯片工作初期PCB表面溫度上升時間范圍。因此，在溫度快速增加初期及時將熱量傳輸到外界，保證芯片在最適宜的溫度狀態下工作，PCB表面溫度更早趨于穩定。

2.2 強制對流下PCB表面熱分布

2.2.1 穩態熱分布

在電子產品中增加散熱器，引起強制對流，有利于降低PCB表面溫度，提高PCB散熱性能[10]。芯片發熱功率為25 W，對流系數α分別為35、45、55、65 W/(m2·K)，PCB表面溫度隨對流系數的變化如圖4所示。

根據圖4曲線，PCB表面最高溫度Tmax、最低溫度Tmin與對流系數α滿足關系式：

(5)

Tmin=24.85+4×0.84α

(6)

從圖4可以看出，隨著強制對流系數的增加，PCB表面溫度降低，Tmax值變化較快，而Tmin變化較小。強制對流系數從35 W/(m2·K)增加到65 W/(m2·K)，Tmin變化量為0.05℃。最低溫度變化率隨著強制對流系數的增加不斷趨于0。這一現象表明，通過強制對流，增加空氣對流系數可以降低PCB表面溫度，但不能無限制降低。空氣對流系數達到一定值后，熱傳輸能力會達到極限，溫度降低緩慢，此時需要采取其他措施來提高PCB散熱性能。

圖4 PCB表面溫度隨對流系數的變化

2.2.2 瞬態熱分布

為了深入了解PCB表面溫度隨時間的變化規律，選取空氣強制對流系數為35 W/(m2·K)、芯片功率為25 W時，PCB表面最高溫點B進行研究，獲得了1000 s內B點溫度隨時間的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，PCB表面溫度隨時間的變化規律與自然對流下的變化規律相似。隨著芯片工作時間的延長，PCB表面溫度快速升高，溫度增長率先快后慢，200 s后溫度逐漸趨于穩定。與自然對流下A點溫度相比較，強制對流條件下，PCB表面溫度更早趨于穩定，穩定溫度為189.096 ℃，比自然對流下穩定溫度降低了48.7 ℃。芯片工作時，通過熱傳導的方式，將熱量傳輸給PCB，再依靠空氣流動進行對流散熱。對流系數越大，空氣流動速度越快。熱交換加快有利于降低PCB表面溫度，形成更低的穩定溫度，保護芯片與PCB。因此，PCB熱設計可以通過強制對流，增加對流系數的方式改善PCB散熱性能。

圖5 強制對流條件下，B點溫度隨時間變化

2.3 嵌入導熱層的PCB散熱性能

目前，PCB板材以覆銅環氧樹脂玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材為主，這類基材雖然具有優良的電氣性能和加工性能，但散熱性較差，要提高PCB散熱性能，除了采用強制對流方式外，也可以在PCB中嵌入導熱層，提高熱量傳輸速率[11,12]。作為導熱層的材料可以是金屬、非金屬或金屬-非金屬相結合。不同材料的導熱層嵌入到PCB中，理論上講，嵌入的導熱材料尺寸越大，散熱性能越好。選取和PCB尺寸一致，厚度為1 mm的導熱層嵌入PCB中間位置，芯片發熱功率為25 W，自然對流作用下，PCB表面溫度分布列舉于表2。

表2 嵌入導熱層，PCB表面溫度

由表2可知，加入導熱層后，PCB表面溫度比未加導熱層時溫度更低，散熱效果能力大小順序為石墨烯>金剛石-石墨烯結合>鋁-石墨烯結合>金剛石>銅>銅-鋁結合>鋁。非金屬石墨烯導熱系數為5300 W/(m·K)，金剛石導熱系數為2000 W/(m·K)，銅導熱系數為390 W/(m·K)，鋁導熱系數為200 W/(m·K)。金屬導熱系數遠小于非金屬的導熱系數。材料導熱系數越大，吸熱能力越強，散熱效果越好。但非金屬材料做導熱層，工藝成本較高，基于成本控制，導熱層可以選用金屬與非金屬結合材料。芯片散發的熱量先傳輸給導熱系數大的非金屬，再傳輸給導熱系數小的金屬，由金屬傳遞到空氣中。因此，嵌入金屬-非金屬導熱層是提高PCB散熱性能的良好手段，PCB熱設計需要選擇合適的材料來提高熱量傳輸速率，降低表面溫度。

3. 結論

本文借助Solidworks構建了PCB散熱模型，分析了芯片在不同功率工作時，自然對流與強制對流作用下，PCB表面的穩態與瞬態溫度分布。結果表明，隨著芯片工作時間的延長，PCB表面溫度升高，但溫度增長率隨著時間的增加而不斷減小。強制對流作用下比自然對流作用下，PCB表面溫度會更早趨于穩定，而且，加大對流系數有助于提高PCB散熱性能。PCB熱設計時，可以采用嵌入導熱層的方式提高PCB散熱性能。綜合制造工藝與成本考慮，金屬-非金屬相結合的材料作為導熱層，是提高PCB散熱性能較好的選擇，這些結論對PCB熱設計與熱研究具有一定的理論指導意義。