PCB部落格 - PCB板關鍵部件的有限元熱可靠性分析

隨著電子設備不斷小型化, 熱的 PCB電路板 設計變得越來越重要. 小尺寸和緊湊佈局導致組件的溫昇更高, 從而大大降低了系統的可靠性. 因此, 從傳熱原理出發, 本文利用ANSYS有限元軟件分析印製電路板（PCB）關鍵部件在運行過程中的溫度場分佈，確定PCB的高溫區和低溫區。通過算例計算了不同佈局PCB的溫度場, 通過比較，得出了一種更合理的佈局方法. 優化佈局, 降低發動機的溫度 PCB板, 並提高系統的可靠性.

1引言

電子設備的不斷小型化使得PCB板的佈局越來越緊湊。 然而，不合理的PCB板佈局嚴重影響了板上電子元件的傳熱路徑，從而導致溫度升高導致電子元件的可靠性失效， 也就是說，系統可靠性大大降低。 這也使得PCB板的溫昇問題上升到一定高度。 據報導，55%的電子設備故障因素是由溫度超過規定值引起的。 囙此，對於電子設備而言，即使降低1°C，其設備的故障率也將大大降低。 例如，統計資料表明，民航電子設備的故障率每降低1攝氏度就會降低4%。 可以看出，溫昇控制（熱設計）是一個非常重要的問題。 印刷電路板上的熱量主要來自功耗元件，如變壓器、大功率電晶體和大功率電阻器。 它們的功耗主要以導熱、對流和輻射的形式耗散到周圍介質中，只有一小部分以電磁波的形式耗散。 囙此，為了提高PCB板上電子元件的穩定性和可靠性，有必要清楚地瞭解PCB板上關鍵元件的功耗和板上的溫度場分佈，從而實現合理的佈局。 在進行熱類比時，通常使用有限元或有限差分方法來求解熱傳輸和流體流動方程。 本文採用有限元分析。 有限元在求解複雜幾何體時更精確，允許在某些區域（例如比其他區域更有趣的板或系統的部分）細化網格，可以在這些區域細化網格，而在其他區域細化網格。 有點稀疏。 但網格細化不能直接從一個密度跳到另一個密度，只能逐漸進行。

2、傳熱基本原理及ANSYS有限元熱類比過程

ANSYS有限元熱類比過程

本文採用ANSYS軟件建立幾何模型，採用自下而上和自頂向下的方法建立實體模型。 在建立實體模型的過程中，由於電子元件的結構複雜，為了方便網格劃分和結果的準確性，可以對實體模型進行簡化，並選擇了適用於不規則形狀單元劃分的SOLID87個10節點單元。

3、溫度場的有限元求解

3.1二維溫度場的示例分析

佈局1:Chip1，Chip2並排，Chip3緊挨著Chip1。 溫度為101.5°C，溫度為92.7°C。

佈局2：晶片1、晶片2並排在PCB的一側，晶片3在PCB的另一側。 溫度為90°C，溫度為70.7°C。

3.2比較分析

1）比較兩個最終類比溫度場的分析結果，可以清楚地發現佈局2的溫度和溫度已經大大降低（約10ˆ½20„ƒ），這對於電子的熱可靠性來說是非常令人印象深刻的。 例如，統計資料表明，民航電子設備的故障率每降低1攝氏度就會降低4%。 可以看出，溫昇控制（熱設計）是一個非常重要的問題。 從而提高設備的可靠性。

2）這兩個溫度場分佈圖都反映了相同的問題：當部件密集分佈時，溫度場分佈不規則，無法確定高溫和低溫區域。 囙此，在佈置PCB板時，應充分注意功耗元件的密集區域，其中應盡可能不放置或放置熱敏感度較低的元件。

3）有限元分析中的對流換熱係數對於不同的分量值是不同的，如果僅使用點量測結果進行計算，h值將很小，囙此必須進行一些修正。 功耗大的h值稍大， 然後將計算結果與量測結果進行比較，並不斷調整h值，直到其基本一致。

4）在不同的溫度場分佈中，雖然顯示的顏色相同，但由相同顏色表示的溫度值不同。 它們用於訓示從高溫區域到低溫區域的趨勢。

5）邊界條件也非常重要，建模過程中給出的邊界條件必須正確。

3.33維溫度場實例分析

PCB上有3個晶片，佈局和所有參數與2相同。

4、結論與分析

1）表面上看，3維溫度場類比結果不如二維理想，但事實並非如此。 3維類比中顯示的溫度是組件模具位置，其中的溫度實際上高於組件表面溫度。 囙此，佈局2的模擬結果是合理的。

2）3D模型更複雜。 為了模擬結果的準確性，可以將晶片資料視為由3層不同資料組成，以簡化模型。

3) 3維模型的建立和結果的處理耗費了大量的精力和時間。資料和結構要求比2D模型更詳細和具體. 雖然3維類比可以獲得更多資訊, 2D還可以快速獲得近似的溫度場分佈. 因此, 在實際應用中, 這兩種方法可以根據 PCB板 具體實際情況.