徐 強(qiáng)， 謝春輝， 王耀金

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

0 引言

有多個(gè)大功耗芯片的印制板在加電較長(zhǎng)時(shí)間后，芯片溫度會(huì)顯著升高，而溫度的升高對(duì)電路的性能及可靠性將產(chǎn)生不利影響。研究表明[1]，印制板上芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的性能要下降約4%，芯片失效率和延遲率均隨著溫度的升高而顯著升高。50%以上的集成電路中的失效問(wèn)題是與溫度問(wèn)題相關(guān)，其中包括許多集成電路失效機(jī)制(如電遷徙，熱載流子效應(yīng)等)[2]。因此，電路熱分析已逐步成為電路分析中的一個(gè)熱點(diǎn)。

針對(duì)現(xiàn)階段航天產(chǎn)品中印制板的發(fā)熱問(wèn)題，本文借助熱仿真工具研究印制板上芯片布局方式對(duì)印制板發(fā)熱的影響，并采取相應(yīng)優(yōu)化措施后對(duì)比了印制板溫度變化，為后續(xù)印制板布局設(shè)計(jì)以及散熱提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 熱傳遞

熱傳遞是進(jìn)行PCB印制板熱分析的理論依據(jù)，熱傳遞有以下三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。

熱傳導(dǎo)是兩個(gè)相互接觸的物體或同一個(gè)物體的各部分之間由于溫度不同引起的熱傳遞現(xiàn)象[3]，遵循傅里葉定律：

(1)

式中：Q為熱傳導(dǎo)傳遞的能量；k為導(dǎo)熱系數(shù)；A為沿著傳導(dǎo)方向上的橫截面；dT/dx為T(mén)在x方向上的變化率。

熱對(duì)流是依靠發(fā)熱體周圍介質(zhì)流動(dòng)轉(zhuǎn)移熱量的過(guò)程。在具體工程應(yīng)用中，自然對(duì)流下從發(fā)熱體表面到周圍空間的熱流方程為

Qc=AhΔT

(2)

式中：Qc為對(duì)流交換的熱量；A為流體接觸的物體表面積；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(也稱對(duì)流換熱系數(shù))；ΔT為物體表面與周圍流體的溫差。

考慮到熱輻射對(duì)本文研究對(duì)象影響非常小，故在此不作具體介紹。

2 熱分析模型

印制板芯片在加電過(guò)程中，由于熱傳導(dǎo)以及熱對(duì)流的存在，板子周圍會(huì)形成一定的溫度場(chǎng)。一般而言，印制板通過(guò)十字螺釘固定連接在鋁合金制的殼體里，所以鋁合金殼體也會(huì)吸收一部分熱量，起到幫助散熱的效果。下面以某一多芯片印制板為例，建立熱分析模型。

印制板熱源主要來(lái)自于五塊發(fā)熱芯片，五塊芯片除了功率不同外，尺寸上面也有略微不同，具體參數(shù)如表1所示。

表1 印制板芯片的物理參數(shù)表

嚴(yán)格來(lái)講，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度變化而改變的物理量。本研究中，考慮到各材料溫度變化范圍小于150 ℃，因而導(dǎo)熱系數(shù)可近似取定值。芯片材料Si取145 W/(m·K)，殼體材料鋁合金取150 W/(m·K)。另外，印制板常用材料純FR4的導(dǎo)熱率為0.35 W/(m·K)，由于基板上覆銅，而銅的導(dǎo)熱率為388 W/(m·K)，因而整體印制板的材料整定為合成FR4，取16 W/(m·K)[4]。仿真過(guò)程中，假設(shè)外界溫度為22 ℃，并考慮所有與空氣接觸的熱對(duì)流，其中對(duì)流換熱系數(shù)取0.03 W/(m·K)。

3 熱仿真方法

印制板上的發(fā)熱芯片在正常工作時(shí)功率是確定的，因此需要通過(guò)研究不同芯片布局下印制板的溫度場(chǎng)分布，來(lái)找出比較理想的芯片布局。綜合考慮實(shí)際工程中印制板布線整齊以及模塊與模塊的相對(duì)獨(dú)立性，設(shè)計(jì)出幾種典型布局，如圖1所示。

圖1(a)中，發(fā)熱量最大的芯片A布置在中間，其他四塊芯片布置在四個(gè)角上，d為芯片到印制板邊的距離。圖1(b)中，芯片A布置在其中一個(gè)角上。圖1(c)中，芯片A布置在中間，其他四塊芯片十字形布置。

根據(jù)d取值不同，布局Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3分別對(duì)應(yīng)圖1(a)中d取20，40，60 mm；布局Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅲ-3分別對(duì)應(yīng)圖1(b)中d取20，40，60 mm；布局Ⅲ-1，Ⅲ-2，Ⅲ-3分別對(duì)應(yīng)圖1c中d取20，40，60 mm。

4 仿真數(shù)據(jù)

(1) 布局Ⅰ

由表2的結(jié)果可知，最高溫度均發(fā)生在芯片一上，對(duì)應(yīng)布局Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3分別為91.4 ℃，97.2 ℃，116.1 ℃。布局Ⅰ-2的最高溫度比布局Ⅰ-1升高了6.3%，布局Ⅰ-3的最高溫度比布局Ⅰ-1升高了26.9%。顯然，隨著周圍四個(gè)芯片與芯片A距離的減小，各個(gè)芯片溫度都不斷升高。因此在考慮此種芯片布局時(shí)，建議在有條件下盡量拉開(kāi)芯片之間的距離，以降低相互之間的發(fā)熱影響。

表2 布局Ⅰ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

(2) 布局Ⅱ

由表3的結(jié)果可知，最高溫度同樣發(fā)生在芯片A上，對(duì)應(yīng)布局Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3分別為81.3 ℃，88.2 ℃，101.4 ℃。布局Ⅱ-2的最高溫度比布局Ⅱ-1升高了8.5%，布局Ⅱ-3的最高溫度比布局Ⅱ-1升高了24.7%。對(duì)比表3中其他數(shù)據(jù)可知，該芯片布局也是隨著芯片與芯片之間距離的減小，溫度呈不斷上升趨勢(shì)。

(3) 布局Ⅲ

由表4布局Ⅲ三種方式各芯片最高溫度可知，對(duì)應(yīng)布局Ⅲ-1，Ⅲ-2，Ⅲ-3分別為97.6 ℃，112.3 ℃，131.4 ℃。布局Ⅲ-2的最高溫度比布局Ⅲ-1升高了15.1%，布局Ⅲ-3的最高溫度比布局Ⅲ-1升高了34.6%?？v向?qū)Ρ炔季症瘛⒉季症蚝筒季症?，布局Ⅲ中芯片之間的距離對(duì)芯片溫度影響也要更顯著一點(diǎn)。

表3 布局Ⅱ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

表4 布局Ⅲ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

綜合分析表2-4數(shù)據(jù)可知，布局Ⅰ-1和Ⅱ-1中各芯片溫度場(chǎng)分布較為理想。布局Ⅰ-1中除了芯片A溫度在90 ℃左右，其他芯片溫度基本不超過(guò)75 ℃；而布局Ⅱ-1中各芯片溫度分布更加均衡，五個(gè)芯片溫度基本都落在66-82 ℃之間。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，芯片布局盡可能參照布局Ⅰ-1和Ⅱ-1。如果僅從溫度場(chǎng)分布來(lái)說(shuō)，相比布局Ⅰ和Ⅱ，布局Ⅲ也是最不利散熱的。因此在實(shí)際芯片布局時(shí)，應(yīng)避免采取這種布局。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)芯片布局的仿真數(shù)據(jù)分析可以獲得較優(yōu)的芯片布局方式，但結(jié)果顯示芯片的最高溫度依然較高，印制板的性能也還會(huì)受到影響，因而在結(jié)構(gòu)上還需采取改進(jìn)措施。

選取上文中比較理想的Ⅱ-1布局方式，在此結(jié)構(gòu)上作出如下改進(jìn)：

a) 在鋁制殼體上加導(dǎo)熱臺(tái)階；

b) 在導(dǎo)熱臺(tái)階與芯片之間增加彈性導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱系數(shù)為5 W/(m·K)，如圖2所示。

重新建立物理模型并導(dǎo)入ANSYS/workbench軟件中，加入與上文仿真相同的熱參數(shù)及熱邊界條件后進(jìn)行仿真，得到如圖3所示的溫度云圖。

分析圖3溫度云結(jié)果可知，印制板最高溫度為59.1 ℃，同樣發(fā)生在功耗最大的芯片A上。

但此時(shí)，熱量經(jīng)由導(dǎo)熱膠較好的傳遞到了鋁制殼體上，對(duì)比未加導(dǎo)熱膠的布局Ⅱ-1最高溫度81.3 ℃，改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)后溫度降幅達(dá)27%。此時(shí)鋁制殼體的最高溫度為50 ℃，很明顯，改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)后，鋁制殼體吸收了更多的熱量。

對(duì)于部分升溫較快的大功耗芯片，電路設(shè)計(jì) 師會(huì)關(guān)心加電1 min～2 min內(nèi)溫度的變化，后續(xù)將利用瞬態(tài)分析做進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

印制板加電時(shí)散熱問(wèn)題是設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮的因素，本文借助ANSYS/workbench熱仿真模塊，進(jìn)行主要發(fā)熱芯片布局研究以及結(jié)構(gòu)散熱的改進(jìn)。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)的分析，得到了比較理想的芯片布局方式，新增散熱措施后散熱問(wèn)題也得到了明顯改善，為后續(xù)多芯片復(fù)雜印制板電路設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。