电子线路板热可靠性分析方法探究电子线路板热可靠性分析方法探究
结合某电子线路板实际情况,在Flotherm软件基础上进行建模与计算处理,并将所得出的结果与实验测试数据
进行比较,证实采取Flotherm软件方式进行电子线路板热可靠性分析具有建模简单、可操作性强及准确性高等
优势。
0 引言
本文提出的Flotherm软件在分析传热学方面起着巨大作用,尤其适用于电子线路板热可靠性的分析与判断。其在电子线路板热
可靠性分析中的应用,关键在于如何构建合理、有效的Flotherm模型,以期在确保精确度的同时,符合计算机内存的容量需
求。以PCB线路板为例,使用Flotherm 软件进行热可靠性分析,可通过获取热分析结果,精确计算电子设备中各个元器件作
业的温度,再与允许的工作温度进行对比,据此判断其是否处于超高温的运行状态。但电子线路板中导线与元器件的布局非常
复杂,若想获得精确的建模并不是简单的事,那么就需要对各个元器件进行一定简化,进而保障构建正确的计算模型。
1 电子线路板热可靠性分析的建模
本文分析的电子线路板中,由9个MOS管及6块集成电路块构成主要发热器,当元器件处于工作状态时,大部分的损耗功率就
会转变为热量,那么在建模过程中就必须充分考虑元器件的简化问题;对于作为导线敷设的铜箔来说,其布置到PCB基板
中,在设计时既可发挥导电的作用,也可传导部分热量,且热导率与传热面积相对较大。
1.1 PCB基板建模的方法
PCB基板是电子电路不可缺少的组成部分,它既提供元器件之间的电气连接,又是元器件的支撑板。PCB板主要包括作为导
线涂敷的铜箔、环氧树脂基板等,其中铜箔的厚度约为0.1mm,环氧树脂基板的厚度约为4mm.为了证明使用铜箔会对PCB板传
热造成影响,利用Flotherm软件进行模拟实验。
在PCB的环氧树脂基板中放置2个恒定温度状态下的铜块,其中左边铜块的温度约80℃,右边铜块的温度约20℃,同时在
PCB板的底部位置设计20 ℃ 的恒温,以此作为传导的边界。对比添加铜箔和未添加铜箔的情况,发现尽管所加的铜箔很薄很
细,却对热量有强烈的引导作用,那么在建模过程中这一要素不可忽略。
1.2 MOS管器件建模的方法
MOS管器件主要包括硅片、底部铜合金散热片、环氧树脂壳体等,其热导率分别为117.5W/(m·℃)、301.5W/(m·℃)及
0.82W/(m·℃)。在MOS管内部,硅片是非常重要的发热部分,其功率约1W;对MOS管进行建模,主要应考虑如下问题:
(1)初级精度的仿真建模。假设MOS管为一个简单的实心体,结合其实际情况设置物理参数。(2)结合MOS管的内部结
构,构建Flotherm 软件模型;当处于室温(20 ℃)及高温(60℃)的自然对流条件下,需要对MOS管的热分布状态进行分
别计算。实验结果表明,无论处于室温(20℃)环境还是高温(60℃)环境,通过模型计算的结果基本一致;虽然MOS管的
内部结构非常复杂,但是内部与外表面的温度差异极小;结合热传导效应分析,由于MOS管的体积相对较小,同时其主要材
料具备良好的传热性能,因此从元器件的内部直到表面的热阻较低,温差也相对较小。那么在实际构建模型过程中,可以直接
将MOS管假设为简单的实心体,只要与实际物体有相同的生热率、辐射和对流散热面积,就可以得到与详细模型相同的模拟
结果。
为了验证这一猜想过程的合理性,也可进行一次实验:在同一块PCB板中放置2块MOS管模型,一边按照实际结构构建了复杂
的空心模型,另一边按照同样的外形简化了实心体结构;在2个MOS块上同样施加0.4W 的发热功率,比较2种不同建模方法的
效果。结果表明,2 种模型获得的效果基本一致。
1.3集成电路块建模的方法
首先,按照集成电路块的实际结构进行建模,将相对较小的发热硅体围绕在氧化铝陶瓷的外壳中,该陶瓷的导热系数是21.通
过引脚与底板连接整个元件,引脚的厚度约0.1mm.
为了能够将模型简化,遵循“同热导率”的原则,将原本分立的引脚合并。实验表明,尽管对集成电路块的结构进行了精确的建
模,但是元器件内部与表面的温差相对较小。因此,采用与前面MOS管相同的分析方法,可以证明集成电路块的建模也可以
用简单的方块来代替。
以上分析证明:在PCB电路板中,MOS管与集成电路块都可通过简化的方式建模,不会对最终结果造成影响。
2 实验与验证
完成对电子线路板中与热分析相关的元器件简化建模之后,需要将各部分的简化模型组合起来,构建一个完整的PCB线路板
Flotherm模型,并对其结果进行计算与分析:首先,在室温条件下进行模拟。以各电子元器件的损耗功率作为热分析的生热率
载荷,PCB线路板表面施加20℃的空气自然对流,作为辐射边界的环境温度为室温(20℃),计算热分布状况。
结合实际工作应用来看,可以利用红外热像仪设备测量电子线路板在常温下的工作温度,将测试点位置的计算值和实际测量数
值进行比较。由于在该模型中进行了一系列的简化处理,因此计算值的误差可以控制在一定范围内。从表1来看,利用
Flotherm软件计算温度分布状况,与实测值的结果基本相符,可见简化建模的方法方便、可行。
前面的实验是在室温环境下进行的,但是在实际工作中PCB电路板所处环境可能有差别,因此就不能用以上的实验方法测量
温度场分布状况。那么根据简化建模的思想,也可利用软件来模拟电子线路板在真空环境中的温度场分布。例如,将散热片安
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