PCB 블로그 - PCB 보드 핵심 부품의 유한 원열 신뢰성 분석

전자 기기가 계속 소형화됨에 따라 열 민감성 PCB 보드 설계는 점점 더 중요해지고 있습니다.작은 크기와 컴팩트한 레이아웃으로 인해 부품의 온도가 상승하여 시스템의 신뢰성이 크게 저하됩니다.이를 위해 본고는 전열 원리에서 출발하여 ANSYS 유한원 소프트웨어를 이용하여 인쇄회로기판(PCB)에 있는 핵심 부품의 운행 중 온도장 분포를 분석하여 PCB의 고온 구역과 저온 구역을 확정하였다.산례를 통해 서로 다른 레이아웃의 인쇄회로기판의 온도장을 계산하고 비교를 통해 더욱 합리적인 레이아웃 방법을 얻어냈다.레이아웃을 최적화하고 PCB 보드의 온도를 낮추며 시스템의 신뢰성을 향상시킵니다.

1 소개

전자 기기의 지속적인 소형화로 PCB 보드의 레이아웃이 점점 더 좁아지고 있습니다.그러나 불합리한 PCB 보드 레이아웃은 보드에 있는 전자 부품의 전열 경로에 심각한 영향을 미쳐 전자 부품의 신뢰성이 온도 상승으로 인해 무력화되었습니다.즉, 시스템 안정성이 크게 떨어집니다.이 때문에 PCB 보드의 온도 상승 문제가 어느 정도 높아졌다.소개에 따르면 전자설비의 55% 의 고장요소는 온도가 규정치를 초과하여 초래된것이다.따라서 전자 장치의 경우 1 ° C를 낮추더라도 장치의 고장률이 크게 낮아집니다.예를 들어, 통계에 따르면 민간 항공 전자 장비의 고장률은 1 ° C 감소 할 때마다 4% 감소합니다.이로부터 알수 있는바 온도상승의 제어 (열설계) 는 아주 중요한 문제이다.PCB의 열은 주로 변압기, 고출력 트랜지스터, 고출력 저항기와 같은 전력 소모 부품에서 나온다.그것들의 전력 소비량은 주로 열전도, 대류, 복사의 형식으로 주변 매체에 소모되고, 일부분만이 전자파의 형식으로 소모된다.따라서 PCB 보드의 전자 부품의 안정성과 신뢰성을 높이기 위해서는 PCB 보드의 핵심 부품의 전력 소비량과 보드의 온도장 분포를 명확하게 이해하여 합리적인 배치를 실현할 필요가 있다.열 시뮬레이션을 할 때, 일반적으로 유한원 또는 유한차분 방법을 사용하여 해열 전송과 유체 유동 방정식을 구한다.본문은 유한원 분석 방법을 채택한다.유한원은 복잡한 형상을 풀 때 더 정확하며, 판이나 시스템에서 다른 영역보다 더 재미있는 부분과 같은 일부 영역에서 메쉬를 세분화할 수 있으며, 메쉬를 다른 영역에서 세분화할 수 있습니다.조금 성기다.그러나 메쉬 세분화는 한 밀도에서 다른 밀도로 직접 건너뛸 수 없으며 점차 건너뛸 수밖에 없습니다.

2. 전열 기본 원리 및 ANSYS 유한 원열 시뮬레이션 과정

ANSYS 유한 원열 시뮬레이션 프로세스

이 문서에서는 ANSYS 소프트웨어를 사용하여 형상 모델을 만들고 하향식 및 하향식 방법으로 솔리드 모델을 만듭니다.솔리드 모델을 생성하는 동안 전자 컴포넌트의 구조가 복잡하기 때문에 메쉬 구분의 편의성과 결과의 정확성을 위해 솔리드 모델을 단순화할 수 있으며 불규칙한 형태 셀 구분에 적용되는 SOLID87 10개의 노드 셀을 선택했습니다.

3.온도장의 유한원 해법

3.1 2차원 온도장 실례 분석

레이아웃 1: Chip1, Chip2가 나란히 있고 Chip3가 Chip1 옆에 나란히 있습니다.온도는 101.5°C, 온도는 92.7°C이다.

레이아웃 2: Chip1, Chip2는 PCB의 한쪽에 나란히 있고 Chip3는 PCB의 다른 쪽에 있다.온도는 90 °C, 온도는 70.7 °C입니다.

3.2 비교 분석

1) 두 최종 시뮬레이션 온도장의 분석 결과를 비교해 보면 레이아웃 2의 온도와 온도가 크게 낮아진 것을 알 수 있다. 이는 전자의 열 신뢰성에 있어서 매우 인상적이다.예를 들어, 통계에 따르면 민간 항공 전자 장비의 고장률은 1 ° C 감소 할 때마다 4% 감소합니다.이로부터 알수 있는바 온도상승의 제어 (열설계) 는 아주 중요한 문제이다.따라서 디바이스의 신뢰성이 향상됩니다.

2) 두 온도장 분포도는 모두 같은 문제를 반영한다. 부품이 밀집하여 분포할 때 온도장 분포가 불규칙하여 고온과 저온 지역을 확정할 수 없다.따라서 PCB 보드를 배치할 때 열 방출 컴포넌트의 밀집 영역에 충분히 주의하여 가능한 한 열 감지 컴포넌트를 적게 배치하거나 배치하지 않아야 합니다.

3) 유한원 분석의 대류 전열 계수는 서로 다른 분량 값에 대해 다르기 때문에 점 측정 결과만 사용하여 계산하면 h값이 매우 작기 때문에 반드시 약간의 교정을 해야 한다.큰 전력 소비량을 가진 h값은 약간 큽니다.그런 다음 계산 결과를 측정 결과와 비교하고 기본적으로 일치할 때까지 H 값을 계속 조정합니다.

4) 온도장 분포에 따라 표시되는 색상은 같지만 동일한 색상으로 표시되는 온도 값은 다릅니다.이들은 고온 영역에서 저온 영역으로의 경향을 나타내는 데 사용됩니다.

5) 경계 조건도 매우 중요하므로 모델링 과정에서 제시된 경계 조건이 정확해야 한다.

3.3 3차원 온도장 실례 분석

PCB에는 3개의 칩이 있으며 레이아웃과 모든 매개변수가 2와 같습니다.

4. 결론과 분석

1) 표면적으로 볼 때 3차원 온도장 시뮬레이션 결과는 2차원 이상보다 못하지만 실제로는 그렇지 않다.3D 시뮬레이션에 표시된 온도는 부품 몰드 위치이며 여기서 온도는 실제로 부품 표면 온도보다 높습니다.따라서 레이아웃 2의 시뮬레이션 결과는 합리적입니다.

2) 3D 모델은 더 복잡합니다.시뮬레이션 결과의 정확성을 위해 칩 소재를 세 겹의 다른 재료로 구성해 모델을 단순화할 수 있다.

3) 3D 모델의 구축 및 결과 처리는 2D 모델보다 더 상세하고 구체적인 재료 및 구조 요구 사항에 많은 노력과 시간을 소비합니다.3차원 시뮬레이션은 더 많은 정보를 얻을 수 있지만 2차원 시뮬레이션도 비슷한 온도장 분포를 빠르게 얻을 수 있다.따라서 실제 응용에서 이 두 가지 방법은 PCB 보드의 구체적인 실제 상황에 따라 선택할 수 있다.