摘要：電子設(shè)備不斷地微型化，熱設(shè)計(jì)就顯得越來越重要。體積小、布局緊湊，導(dǎo)致元件溫升越高，從而大大降低系統(tǒng)的可靠性。為此文章從熱傳輸原理出發(fā)，運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析印刷電路板（PCB）上關(guān)鍵元件工作時(shí)的溫度場分布，確定PCB的高溫區(qū)和低溫區(qū)。并通過實(shí)例計(jì)算不同布局的PCB的溫度場，通過比較得出較為合理布局方式。優(yōu)化布局，降低PCB板的最高溫度，提高系統(tǒng)的可靠性。　　關(guān)鍵詞：PCB板 溫度場 有限元 優(yōu)化設(shè)計(jì) 可靠性

1、引言　　電子設(shè)備的持續(xù)小型化使得PCB板的布局越來越緊湊，然而不合理的PCB板布局嚴(yán)重影響了板上電子元器件的熱傳遞通路，從而導(dǎo)致電子元器件的可靠性因溫度升高而失效，也即系統(tǒng)可靠性大大降低。這也使得PCB板的溫升問題上升到一定的高度。據(jù)報(bào)道,電子設(shè)備的失效因素, 有55%是因?yàn)闇囟瘸^規(guī)定值引起的,因此,對電子設(shè)備而言,即使是降低1℃,也將使其設(shè)備的失效率降低一個(gè)可觀的量值。例如,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,民航的電子設(shè)備每降低1℃,其失效率將下降4%,可見溫升的控制(熱設(shè)計(jì))是十分重要的問題?！　CB板上熱量主要來源于功耗元件，如：變壓器、大功率晶體管、大功率電阻等。它們的功耗主要以熱傳導(dǎo)、對流和輻射的形式散發(fā)到周圍的介質(zhì)中，只有小部分以電磁波形式散出。所以，若要提高PCB板電子元件的穩(wěn)定性、可靠性，必須清楚的了解PCB板上關(guān)鍵元件的功耗及其板上的溫度場分布，做到合理布局?！　≡谶M(jìn)行熱模擬時(shí)，通常采用有限元或有限差分的方法解熱傳輸和流體流動(dòng)方程。本文采用有限元分析。有限元對解復(fù)雜的幾何形狀更準(zhǔn)確,允許在有些區(qū)域加密網(wǎng)格,如板或系統(tǒng)的部份區(qū)域比其他部份更為感興趣,就可以在這些區(qū)域把網(wǎng)格加密,而其他區(qū)域網(wǎng)格稀疏一點(diǎn)。但是網(wǎng)格加密不能從一種密度直接跳躍到另一種密度,只許逐漸加密。

2、基本傳熱原理及ANSYS有限元熱模擬流程2.1熱傳導(dǎo)　　傅立葉定律（又稱導(dǎo)熱基本定律）：                    （1）　　式中：Q為時(shí)間t內(nèi)的傳熱量，K為熱傳導(dǎo)率，T為溫度，A為平面面積，T為兩平面之間的距離。2.2表面熱對流　　表面積為Ａ，傳遞熱量Ｑ時(shí), ,當(dāng)表面與環(huán)境的溫差為Ｔw-Ｔf時(shí)    Ｑ=ｈＡ(Ｔw-Ｔf)                                                 (2)　　ｈ為表面對流換熱系數(shù).通過這個(gè)公式可以計(jì)算對流換熱系數(shù)。在本文中自然對流換熱系數(shù)主要通過這個(gè)公式來計(jì)算。這里PCB板的熱輻射可以不作考慮，故忽略?！　⊥瑫r(shí)這里值得提出的是PCB板上功耗元件的生熱率問題，功率芯片的耗散的功率在ANSYS中用生熱率HGEN來表示，其計(jì)算公式如下：     其中：P為功耗，V為元件的體積2.3 ANSYS有限元熱模擬流程　　本文通過ANSYS軟件創(chuàng)建幾何模型，以底向上和自頂向下方法創(chuàng)建實(shí)體模型。在創(chuàng)建實(shí)體模型過程中，由于電子元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了網(wǎng)格劃分方便及結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以簡化實(shí)體模型，選用適合不規(guī)則形狀單元?jiǎng)澐值腟OLID87 10節(jié)點(diǎn)單元。

3、有限元求解溫度場3.1 二維溫度場實(shí)例分析                          

　　布局1：Chip1 ，Chip2并排一側(cè)邊，Chip3緊靠Chip1一側(cè)?！　∽罡邷囟葹?01.5℃，最低溫度為92.7℃。             

　　布局2：Chip1 ，Chip2并排一側(cè)邊，Chip3在PCB板另一側(cè)。最高溫度為90℃，最高溫度為70.7℃。 3.2比較分析　　1、比較兩個(gè)最終模擬溫度場的分析結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)布局2的最高溫度和最低溫度均得到很大程度的降低（約10∽20℃），這個(gè)數(shù)值對電子的熱可靠性是非?？捎^的。例如,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,民航的電子設(shè)備每降低1℃,其失效率將下降4%,可見溫升的控制(熱設(shè)計(jì))是十分重要的問題。從而提高設(shè)備的可靠性?！　?、這兩個(gè)溫度場分布圖同時(shí)都體現(xiàn)了同一個(gè)問題：當(dāng)元件分布較密集時(shí)，其溫度場分布呈不規(guī)則狀態(tài)，高溫區(qū)和低溫區(qū)無法確定。因此，在PCB板布局時(shí)應(yīng)充分注意功耗元件密集區(qū)，此處應(yīng)盡可能不放或少放熱敏感元件?！　?、有限元分析中的對流換熱系數(shù)對于不同的元件值不同,而且如果僅用點(diǎn)測結(jié)果來計(jì)算會(huì)使ｈ值偏小,所以要作一些修正.把功耗大的ｈ值調(diào)用稍大,再把計(jì)算與測量結(jié)果對比,不斷調(diào)整ｈ值，直到基本符合為止.　　4、在不同的溫度場分布中，雖然所顯示的顏色是一樣的，但同一顏色所表示的溫度值不一樣，它們是用來表明高溫區(qū)到低溫區(qū)的趨勢?！　?、邊界條件也很重要,在建模時(shí)給定的邊界條件要確保正確。3.3 三維溫度場實(shí)例分析   PCB板上有三個(gè)芯片，布局、所有參數(shù)同2。 

4、結(jié)論與分析　　1、從表面上看三維溫度場模擬結(jié)果不如兩維的理想，實(shí)際上并不是如此。在三維模擬中所指示的最高溫度是元件芯片位置,此處溫度實(shí)際上就比元件表面溫度高。所以，布局2的模擬結(jié)果是合理的?！　?、三維模型更復(fù)雜。為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，芯片材料可以等同看成是由三層不同材料構(gòu)成，以簡化模型?！　?、三維模型的建立以及結(jié)果的處理都要耗很大的精力和時(shí)間，而且對材料和結(jié)構(gòu)要求要比二維詳細(xì)和具體。雖然三維模擬能得到更多的信息，但二維也可以快速的得到大致的溫度場分布情況。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的實(shí)際情況決定選用這兩種方式。