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        基于有限元分析的PCB散熱性能研究

        2022-07-06 11:09:56冀林仙馬鈺凱
        運城學院學報 2022年3期

        冀林仙,馬鈺凱

        (運城學院 物理與電子工程系,山西 運城 044000)

        隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展,印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上搭載的電子元器件朝著高密度化、高功耗化、微型化方向發(fā)展。電子元器件的高功耗導致了PCB熱流密度增加,相應的電子產(chǎn)品工作的環(huán)境溫度也發(fā)生了極大變化[1]。PCB與集成電路(Integrated Circuit,IC)之間存在多種材料,不同材料熱膨脹系數(shù)的差異,使得材料界面處產(chǎn)生熱應力,造成芯片故障。此時,芯片在更高的溫度下工作會增加其內(nèi)阻,導致信號延時傳輸,降低工作效率[2]。因此,對PCB進行熱設計與熱分析,及時將芯片產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)酵饨缡翘岣弋a(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。目前,解決PCB散熱有多種設計方案,如增加散熱器、采用高導熱材料作基板、采用金屬基板、嵌入銅塊、設計密集散熱孔等[3-6]。采用實驗方法研究PCB散熱,費時費力,實驗周期長,成本高[7]。鑒于此,針對集成芯片的PCB散熱問題,本文借助Solidworks構(gòu)建模型,討論對流方式對PCB表面溫度的影響,分析PCB表面溫度隨時間的變化規(guī)律,研究導熱層對PCB散熱的影響,為PCB熱設計提供一定的理論指導。

        1. PCB散熱模型

        PCB散熱模型如圖1所示。PCB材料為FR4,PCB為直徑70 mm,厚度5 mm的圓柱體,PCB上芯片材料為Si,尺寸為30 mm×30 mm×3 mm的長方體。芯片與PCB之間通過導熱膠粘合在一起,膠層厚度為25 μm。

        圖1 PCB散熱仿真模型

        熱傳遞包括熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式。由于PCB的表面輻射系數(shù)很小,熱輻射傳熱不到總熱量的1%,所以芯片的散熱主要通過熱傳導和熱對流,數(shù)值模擬時忽略熱輻射。

        熱傳導遵從傅里葉定律,表達式為:

        (1)

        熱對流服從牛頓散熱公式:

        Φ=hX△t

        (2)

        式中h為熱對流常數(shù),單位為W/(m2·K),X為表面積,Δt為流體與物體表面的溫差。

        PCB散熱仿真主要參數(shù)列舉于表1。

        表1 PCB散熱仿真主要參數(shù)

        2. 結(jié)果與分析

        2.1 自然對流下PCB表面熱分布

        2.1.1 穩(wěn)態(tài)熱分布

        PCB穩(wěn)態(tài)熱分布是在自然對流條件下,芯片產(chǎn)生的熱量傳導給PCB,經(jīng)過足夠長的時間,熱流量達到平衡且溫度場穩(wěn)定的過程。PCB穩(wěn)態(tài)熱仿真設定總環(huán)境溫度為25 ℃。當芯片發(fā)熱功率P為1 W、5 W、10 W、15 W、20 W、25 W時,PCB表面溫度隨P的變化曲線如圖2所示。Tmax為PCB表面最高溫度。Tmin為PCB表面最低溫度。

        圖2 PCB表面溫度隨芯片發(fā)熱功率的變化

        由圖2可知,PCB表面最高溫度、最低溫度與芯片的發(fā)熱功率成正比,滿足表達式:

        Tmax=8.517P+24.85

        (3)

        Tmin=0.024P+24.85

        (4)

        隨著芯片發(fā)熱功率的增大,PCB上各部分的溫度增加。芯片發(fā)熱功率越大,產(chǎn)生的熱量越多,熱量通過熱傳導方式在芯片與PCB上延伸,更多的熱量堆積于芯片與PCB相接觸的界面,導致此處溫度更高[8]。因此,PCB表面溫度隨著芯片的發(fā)熱功率的增加而不斷增大。隨著電子芯片尺寸的微型化,芯片呈現(xiàn)出越來越高的熱流密度,芯片溫度的控制與熱量的散發(fā)至關(guān)重要。對于穩(wěn)定持續(xù)工作的電子芯片,芯片結(jié)溫不能超過所允許的120 ℃最大極限值。溫度過高,會造成芯片損壞[9]。數(shù)值模擬結(jié)果表明,芯片的發(fā)熱功率在25 W時,PCB表面最高溫度達到237.774 ℃,遠遠超過芯片結(jié)溫極限值,因此需要采取措施改善PCB散熱性能,如安裝外部散熱裝置。

        2.1.2 瞬態(tài)熱分布

        PCB穩(wěn)態(tài)熱力分析表明,芯片在運行一段時間后,熱流量會變得穩(wěn)定,溫度場會達到平衡。為了深入了解PCB表面溫度隨時間的變化規(guī)律,選取芯片發(fā)熱功率25 W時,PCB表面最高溫點A進行研究,獲得了1000 s內(nèi)A點溫度隨時間的變化曲線,如圖3所示。

        由圖3可以看出,自然對流作用下,芯片發(fā)熱引起PCB表面點A的溫度隨時間快速上升,在180 s時,A點溫度達到200 ℃。之后則緩慢增長,在400 s之后接近穩(wěn)態(tài)分析測定的溫度。PCB表面溫度先快后慢的變化趨勢表明,PCB散熱研究需要及時檢測芯片工作初期PCB表面溫度上升時間范圍。因此,在溫度快速增加初期及時將熱量傳輸?shù)酵饨纾WC芯片在最適宜的溫度狀態(tài)下工作,PCB表面溫度更早趨于穩(wěn)定。

        2.2 強制對流下PCB表面熱分布

        2.2.1 穩(wěn)態(tài)熱分布

        在電子產(chǎn)品中增加散熱器,引起強制對流,有利于降低PCB表面溫度,提高PCB散熱性能[10]。芯片發(fā)熱功率為25 W,對流系數(shù)α分別為35、45、55、65 W/(m2·K),PCB表面溫度隨對流系數(shù)的變化如圖4所示。

        根據(jù)圖4曲線,PCB表面最高溫度Tmax、最低溫度Tmin與對流系數(shù)α滿足關(guān)系式:

        (5)

        Tmin=24.85+4×0.84α

        (6)

        從圖4可以看出,隨著強制對流系數(shù)的增加,PCB表面溫度降低,Tmax值變化較快,而Tmin變化較小。強制對流系數(shù)從35 W/(m2·K)增加到65 W/(m2·K),Tmin變化量為0.05℃。最低溫度變化率隨著強制對流系數(shù)的增加不斷趨于0。這一現(xiàn)象表明,通過強制對流,增加空氣對流系數(shù)可以降低PCB表面溫度,但不能無限制降低??諝鈱α飨禂?shù)達到一定值后,熱傳輸能力會達到極限,溫度降低緩慢,此時需要采取其他措施來提高PCB散熱性能。

        圖4 PCB表面溫度隨對流系數(shù)的變化

        2.2.2 瞬態(tài)熱分布

        為了深入了解PCB表面溫度隨時間的變化規(guī)律,選取空氣強制對流系數(shù)為35 W/(m2·K)、芯片功率為25 W時,PCB表面最高溫點B進行研究,獲得了1000 s內(nèi)B點溫度隨時間的變化曲線,如圖5所示。

        由圖5可以看出,PCB表面溫度隨時間的變化規(guī)律與自然對流下的變化規(guī)律相似。隨著芯片工作時間的延長,PCB表面溫度快速升高,溫度增長率先快后慢,200 s后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。與自然對流下A點溫度相比較,強制對流條件下,PCB表面溫度更早趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定溫度為189.096 ℃,比自然對流下穩(wěn)定溫度降低了48.7 ℃。芯片工作時,通過熱傳導的方式,將熱量傳輸給PCB,再依靠空氣流動進行對流散熱。對流系數(shù)越大,空氣流動速度越快。熱交換加快有利于降低PCB表面溫度,形成更低的穩(wěn)定溫度,保護芯片與PCB。因此,PCB熱設計可以通過強制對流,增加對流系數(shù)的方式改善PCB散熱性能。

        圖5 強制對流條件下,B點溫度隨時間變化

        2.3 嵌入導熱層的PCB散熱性能

        目前,PCB板材以覆銅環(huán)氧樹脂玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材為主,這類基材雖然具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能,但散熱性較差,要提高PCB散熱性能,除了采用強制對流方式外,也可以在PCB中嵌入導熱層,提高熱量傳輸速率[11,12]。作為導熱層的材料可以是金屬、非金屬或金屬-非金屬相結(jié)合。不同材料的導熱層嵌入到PCB中,理論上講,嵌入的導熱材料尺寸越大,散熱性能越好。選取和PCB尺寸一致,厚度為1 mm的導熱層嵌入PCB中間位置,芯片發(fā)熱功率為25 W,自然對流作用下,PCB表面溫度分布列舉于表2。

        表2 嵌入導熱層,PCB表面溫度

        由表2可知,加入導熱層后,PCB表面溫度比未加導熱層時溫度更低,散熱效果能力大小順序為石墨烯>金剛石-石墨烯結(jié)合>鋁-石墨烯結(jié)合>金剛石>銅>銅-鋁結(jié)合>鋁。非金屬石墨烯導熱系數(shù)為5300 W/(m·K),金剛石導熱系數(shù)為2000 W/(m·K),銅導熱系數(shù)為390 W/(m·K),鋁導熱系數(shù)為200 W/(m·K)。金屬導熱系數(shù)遠小于非金屬的導熱系數(shù)。材料導熱系數(shù)越大,吸熱能力越強,散熱效果越好。但非金屬材料做導熱層,工藝成本較高,基于成本控制,導熱層可以選用金屬與非金屬結(jié)合材料。芯片散發(fā)的熱量先傳輸給導熱系數(shù)大的非金屬,再傳輸給導熱系數(shù)小的金屬,由金屬傳遞到空氣中。因此,嵌入金屬-非金屬導熱層是提高PCB散熱性能的良好手段,PCB熱設計需要選擇合適的材料來提高熱量傳輸速率,降低表面溫度。

        3. 結(jié)論

        本文借助Solidworks構(gòu)建了PCB散熱模型,分析了芯片在不同功率工作時,自然對流與強制對流作用下,PCB表面的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)溫度分布。結(jié)果表明,隨著芯片工作時間的延長,PCB表面溫度升高,但溫度增長率隨著時間的增加而不斷減小。強制對流作用下比自然對流作用下,PCB表面溫度會更早趨于穩(wěn)定,而且,加大對流系數(shù)有助于提高PCB散熱性能。PCB熱設計時,可以采用嵌入導熱層的方式提高PCB散熱性能。綜合制造工藝與成本考慮,金屬-非金屬相結(jié)合的材料作為導熱層,是提高PCB散熱性能較好的選擇,這些結(jié)論對PCB熱設計與熱研究具有一定的理論指導意義。

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