Thông tin PCB - Phân tích độ tin cậy nhiệt phần tử hữu hạn cho các bộ phận chính của bảng PCB

Khi các thiết bị điện tử tiếp tục thu nhỏ, thiết kế bảng PCB nhạy cảm với nhiệt ngày càng trở nên quan trọng. Kích thước nhỏ và bố trí nhỏ gọn dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ cao hơn của các thành phần, do đó làm giảm đáng kể độ tin cậy của hệ thống. Để làm được điều này, bài viết này đã xác định vùng nhiệt độ cao và vùng nhiệt độ thấp của PCB bằng cách sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS để phân tích sự phân bố trường nhiệt độ của các thành phần chính trên bảng mạch in (PCB) trong quá trình vận hành, bắt đầu từ nguyên tắc truyền nhiệt. Trường nhiệt độ của các bảng mạch in với các bố trí khác nhau được tính toán bằng các ví dụ và các phương pháp bố trí hợp lý hơn được đưa ra bằng cách so sánh. Tối ưu hóa bố cục, giảm nhiệt độ của bảng PCB và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

1 Giới thiệu

Việc thu nhỏ liên tục các thiết bị điện tử làm cho bố cục của bảng PCB ngày càng nhỏ gọn. Tuy nhiên, cách bố trí bảng mạch PCB không hợp lý ảnh hưởng nghiêm trọng đến đường truyền nhiệt của các thành phần điện tử trên bảng, dẫn đến độ tin cậy của các thành phần điện tử bị hỏng do nhiệt độ tăng, Độ tin cậy của hệ thống giảm đáng kể. Điều này cũng làm cho vấn đề tăng nhiệt độ của bảng PCB tăng lên một độ cao nhất định. Theo báo cáo, 55% nguyên nhân thất bại của thiết bị điện tử là do nhiệt độ vượt quá giá trị quy định. Do đó, đối với các thiết bị điện tử, tỷ lệ thất bại của thiết bị sẽ giảm đáng kể ngay cả khi giảm 1 ° C. Ví dụ, thống kê cho thấy tỷ lệ thất bại của các thiết bị điện tử hàng không dân dụng giảm 4% cho mỗi 1 ° C giảm. Do đó, kiểm soát nhiệt độ tăng (thiết kế nhiệt) là một vấn đề rất quan trọng. Nhiệt trên PCB chủ yếu đến từ các bộ phận tiêu hao năng lượng như máy biến áp, bóng bán dẫn công suất cao và điện trở công suất cao. Tiêu thụ điện năng của chúng chủ yếu bị phân tán vào môi trường xung quanh dưới dạng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, với chỉ một phần nhỏ dưới dạng sóng điện từ. Do đó, để cải thiện sự ổn định và độ tin cậy của các thành phần điện tử trên bảng mạch PCB, cần phải hiểu rõ mức tiêu thụ điện năng của các thành phần chính trên bảng mạch PCB và phân phối trường nhiệt độ trên bảng để đạt được bố cục hợp lý. Khi thực hiện mô phỏng nhiệt, phần tử hữu hạn hoặc phương pháp vi sai hữu hạn thường được sử dụng để tìm phương trình truyền nhiệt và dòng chảy chất lỏng. Bài viết này sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Phần tử hữu hạn chính xác hơn khi giải các hình học phức tạp, cho phép tinh chỉnh lưới ở một số khu vực, chẳng hạn như bảng hoặc các phần của hệ thống thú vị hơn các khu vực khác, nơi lưới có thể được tinh chỉnh trong khi các khu vực khác được lưới hóa. Hơi thưa thớt một chút. Nhưng chi tiết lưới không thể trực tiếp nhảy từ mật độ này sang mật độ khác, chỉ có thể tiến hành từng bước.

2. Nguyên tắc truyền nhiệt cơ bản và quá trình mô phỏng nhiệt phần tử hữu hạn ANSYS

Quá trình mô phỏng nhiệt phần tử hữu hạn ANSYS

Bài viết này sử dụng phần mềm ANSYS để xây dựng mô hình hình học, sử dụng phương pháp từ dưới lên và từ trên xuống để xây dựng mô hình rắn. Trong quá trình tạo mô hình rắn, do cấu trúc phức tạp của các thành phần điện tử, mô hình rắn có thể được đơn giản hóa để thuận tiện cho việc phân chia lưới và độ chính xác của kết quả, và 10 đơn vị nút SOLID87 được chọn để phân chia đơn vị hình dạng bất thường.

3. Giải pháp phần tử hữu hạn cho trường nhiệt độ

3.1 Phân tích trường nhiệt độ 2D

Bố cục 1: Chip1, Chip2 cạnh nhau và Chip3 cạnh nhau bên cạnh Chip1. Nhiệt độ là 101,5 ° C và 92,7 ° C.

Bố cục 2: Chip1, Chip2 cạnh nhau ở một bên của PCB và Chip3 ở phía bên kia của PCB. Nhiệt độ là 90 ° C và 70,7 ° C.

3.2 Phân tích so sánh

1) So sánh kết quả phân tích của hai trường nhiệt độ mô phỏng cuối cùng cho thấy rõ ràng rằng cả nhiệt độ và nhiệt độ của Bố cục 2 đều giảm đáng kể (khoảng 10½ 20º), điều này rất ấn tượng đối với độ tin cậy nhiệt của electron. Ví dụ, thống kê cho thấy tỷ lệ thất bại của các thiết bị điện tử hàng không dân dụng giảm 4% cho mỗi 1 ° C giảm. Do đó, kiểm soát nhiệt độ tăng (thiết kế nhiệt) là một vấn đề rất quan trọng. Do đó cải thiện độ tin cậy của thiết bị.

2) Cả hai bản đồ phân bố trường nhiệt độ đều phản ánh cùng một vấn đề: khi các thành phần được phân phối dày đặc, trường nhiệt độ được phân phối không đều và không thể xác định các khu vực nhiệt độ cao và thấp. Do đó, khi bố trí bảng PCB, cần chú ý đầy đủ đến các khu vực dày đặc của các yếu tố tản nhiệt và càng nhiều càng tốt không đặt hoặc đặt ít yếu tố nhạy cảm nhiệt.

3) Hệ số truyền nhiệt đối lưu trong phân tích phần tử hữu hạn là khác nhau cho các giá trị thành phần khác nhau, nếu chỉ sử dụng kết quả đo điểm để tính toán, giá trị h sẽ nhỏ, vì vậy một số điều chỉnh phải được thực hiện. Giá trị h với mức tiêu thụ điện năng lớn hơn một chút, Các phép tính sau đó được so sánh với các phép đo, liên tục điều chỉnh giá trị h cho đến khi về cơ bản là phù hợp.

4) Trong các phân bố trường nhiệt độ khác nhau, giá trị nhiệt độ được biểu thị bằng cùng một màu là khác nhau, mặc dù cùng một màu được hiển thị. Chúng được sử dụng để chỉ ra xu hướng từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp.

5) Các điều kiện ranh giới cũng rất quan trọng và các điều kiện ranh giới được đưa ra trong quá trình mô hình hóa phải chính xác.

3.3 Phân tích trường nhiệt độ 3D

Có ba chip trên PCB, bố cục và tất cả các thông số giống như 2.

4 Kết luận và phân tích

1) Bề ngoài, kết quả mô phỏng trường nhiệt độ ba chiều không lý tưởng như hai chiều, nhưng trên thực tế thì không. Nhiệt độ được chỉ ra trong mô phỏng 3D là vị trí khuôn thành phần, trong đó nhiệt độ thực sự cao hơn nhiệt độ bề mặt thành phần. Do đó, kết quả mô phỏng của Bố cục 2 là hợp lý.

2) Các mô hình 3D phức tạp hơn. Để mô phỏng độ chính xác của kết quả, vật liệu chip có thể được coi là ba lớp vật liệu khác nhau để đơn giản hóa mô hình.

3) Việc xây dựng mô hình 3D và xử lý kết quả tiêu tốn rất nhiều công sức và thời gian, với các yêu cầu về vật liệu và cấu trúc chi tiết và cụ thể hơn mô hình 2D. Trong khi mô phỏng ba chiều có thể thu được nhiều thông tin hơn, mô phỏng hai chiều cũng có thể nhanh chóng có được sự phân bố trường nhiệt độ gần đúng. Do đó, trong các ứng dụng thực tế, cả hai phương pháp có thể được lựa chọn theo tình hình thực tế cụ thể của bảng PCB.