基于CFD的手机PCB板温度场仿真

陈泽睿，沈昱明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于CFD的手机PCB板温度场仿真

陈泽睿，沈昱明

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

手机PCB板温度分布是手机设计的重要环节之一，提前模拟出手机PCB板的温度场分布对手机设计有着较大的帮助。文中采用CFD商业软件对手机PCB板进行模拟仿真。通过对手机PCB板进行三维建模，优化模型，网格划分和设置边界条件，求解可得到手机PCB板的温度场。运用该方法得到了手机各个元器件的最大温度值，并通过改变对流系数，分析了对流系数对温度场的影响。

手机PCB板；温度场；仿真；CFD

随着手机配置越来越先进，运算速度更快，CPU主频更高[1-3]。对于多功能、多程序运行的智能手机，如果同时运行几个任务，或者运行大型游戏时，CPU等器件温度会升高，性能将有所下降。为保持器件的正常运行，以及良好的用户体验，需确手机保温度在合适的范围内。同时，WiFi、GPS等通信器件因为要发射和接收信号，同样也会随着有效信号的发射和接收产生大量的热量，散热能让这些器件良好工作。所以，模拟仿真出手机芯片的温度分布状况，进行优化设计是必要的[4-6]。

近年来，国外对与印刷电路板上元件温度场问题有深入的研究[5-11]。Culham和Yovanovich[12]进行了一项比较性研究，研究说明了在混合边界条件下，材料热阻和扩散热阻在计算PCB有效热传导率的重要性。Shabany[13]对PCB上元器件尺寸大小与有效传导率进行了研究，指出了有效的传热率依赖于热源尺寸的大小，通过求解热传导方程的数值解，得到了载有不同尺寸热源PCB的有效传递系数。而国内起步较晚，付桂翠，方志强[14]对功率器件和散热器做了专门的热优化设计，邓志勇通过做实验来测手机在不同状况下的温度的变化，并且采用石墨片导热来降低电池和芯片温度。

本文通过建模软件UG对手机PCB板建立了三维模型，并用强大的网格划分软件ICEM对三维手机PCB板进行了网格划分，之后用CFD商业软件Fluent模拟仿真了某一款手机PCB板的温度的分布和范围，得到了PCB板的温度分布云图。分析了手机工作状态下元器件的温度值变化，以及不同对流表面换热系数的情况下手机PCB板温度的分布。从而能够更好的改进手机元器件的分布。

1 仿真模型

1.1 物理模型

物理模型是利用建模软件UG建成。手机PCB板模型已被简化，包含主要的手机功耗元器件，如CPU，GPS，WiFi等。如图1为物理模型正面，图2为物理模型反面。

图1 物理模型正面

图2 物理模型反面

1.2 数学模型

手机PCB板上每一个功耗单元都会产生热，这个热的去向有2个途径，其中一个途径是将部分能量传导其他物体然后通过热对流散失到空气中，另外一个途径是直接对流换热扩散到空气中，所以可以建立三维的稳态传热数学模型[15]。

导热微分方程

(1)

式中，ρ为材料密度，单位为W/m3;c为材料比热，单位为J/(kg·K);λ为材料的导热系数，单位为W/(m·K);qv为内热源的热流密度，单位:W/m3。

自然对流换热

Nu=C(GrPr)n

(2)

由于辐射换热的影响太小以至忽略不计，本文不考虑辐射换热。

1.3 网格划分

仿真模型采用ICEM软件采用混合网格划分，网格数量为32 446个，如图3所示。由于大部分元器件是内热源，是由中心向外部扩散，将内热源附近的区域进行加密处理，并采用非结构网格，可提高计算精度。

图3 手机芯片网格划分

1.4 物性参数

表1 元器件材料属性

由于手机内热源的元器件材料大部分为铜，所以将这些内热源材料属性都设置为铜，PCB板材料为Fr4，CPU底下的器件材料是塑料。如表1给出了部分元器件材料的密度，比热容和导热系数。

这些内热源的最大功率已经获得，为了考虑手机整体的最差的状态，假设这些手机元器件都是以最大功率运行，模拟出手机温度的分布情况。内热源的功率为元器件单位体积的功率。

2 模拟结果及分析

2.1 模拟结果和数据

Fluent初始边界条件温度为20 ℃，设温差为30 ℃，根据式(2)计算得出初始对流换热系数为61.59。材料属性值的参数设置为表1所提供的数据，并设置每个内热源的功率，残差值设置在1e-06，开启热平衡方程。经计算，如图4所示，该图为计算结果的残差曲线，在趋于1e-06处平缓，停止迭代，已经达到所需要的精度。

图4 残差曲线

图5 对流系数为61.59时温度分布

图6 对流系数为76.83时温度分布

将温差设置为30 ℃，由式(2)计算得到对流换热系数为61.59，所得手机PCB板温度的分布情况如图5所示。WiFi温度最高达57.7 ℃，CPU的温度最高是93.1 ℃，DRAM5温度最高达50.6 ℃，DRAM4温度最高达是61 ℃。

将温差设置为60 ℃，根据式(2)计算得到对流换热系数为76.83。所得手机PCB板温度的分布情况如图6所示，WiFi温度最高为54.7 ℃，DRAM4的温度最高是58 ℃，CPU的温度最高达87.9 ℃，DRAM5的温度最高达48.8 ℃。

2.2 模拟分析

由仿真实验分析可知。当对流系数为61.59时，CPU温度最高为93.1 ℃，当对流系数为76.83时，CPU温度最高为87.9 ℃，温度比最初降了5.6%。同理可得，DRAM5的温度比最初降了3.6%，WiFi的温度比原来降了5.2%，DRAM4的温度比最初时候降了4.9%。不同对流系数对手机芯片的散热分析有一定的影响。当对流系数越大时，手机芯片散热就越好。

2.3 模拟目的和意义

本文通过改变对流系数来模拟手机PCB板温度场的变化，为手机PCB板的设计提供了良好的参考方案，在实际应用过程中，手机设计考虑因素有多种，像外界温度变化，元器件分布情况，改变元器件尺寸等都会对手机的温度有影响。在应用CFD商业软件模拟实验可大幅提高手机研究效率，缩短手机设计时间，节约实验成本。

3 结束语

手机PCB板温度散热分布是手机设计考虑的重要因素之一，本文在理论分析的基础上，建立了手机PCB板的模型，通过应用Fluent仿真软件对PCB板的温度场进行了仿真计算。分析手机PCB板随着对流表面换热系数的变化而对PCB板温度分布产生的影响。本文通过商业软件Fluent只是模拟了关于不同对流系数温度的分布情况，至于不同初始温度情况下，元器件不同排布情况下，更改元器件尺寸情况下等等都会影响手机PCB板的温度分布。在实际设计手机PCB板的时候，应该考虑多方面的因素，多模拟不同情况下手机PCB板的温度分布，从而更好的进行优化设计。通过CFD商业软件进行模拟，相对于实际实验而言，不仅节省了工作人员的设计周期，并且可以让工作人员知道手机PCB的温度是如何分布的，排除手机安全隐患，提高手机的安全性。

[1] 佟刚,何士伟.智能手机热对策与热设计[J]. 移动通信,2012(S2):113-116.

[2] 张学新.某地面电子设备的热设计[J].电子机械工程,2014,30(4):8-11.

[3] 黄艳飞.基于热可靠性的PCB板电子元件优化布局方法研究[D].镇江:江苏大学,2006.

[4] 崔广云.LED彩色打印机内部温度场的数值计算[D].大连:大连理工大学,2010.

[5] 冯小平.基于粒子群算法的PCB板上电子元件的热布局优化[D].西安:西安电子科技大学,2010.

[6] 黄艳飞.基于热可靠性的PCB板电子元件优化布局方法研究[D].镇江:江苏大学,2006.

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[8] 赵春林.电子设备的热设计[J].电子机械工程,2002,18(5):40-42.

[9] 徐少亭.基于蚁群算法的PCB板电子元件热布局优化研究[D].成都:电子科技大学,2012.

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[15] 赵镇南.传热学[M].2版.北京:高等教育出版社,2008.

Temperature Field Simulation of the Mobile Phone PCB Board Based on CFD

CHEN Zerui，SHEN Yuming

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Mobile PCB board temperature distribution plays a major role in the mobile phone design, and its simulation is of great help. This paper uses the CFD commercial software to simulate the mobile phone PCB board. The three-dimensional modeling of the mobile phone PCB board is employed for the optimization model, the grid division and the boundary conditions setting to solve the temperature field of the mobile phone PCB board. The maximum temperature of each component of the cell phone is obtained, and the influence of the convection coefficient on the temperature field is analyzed by changing the convection coefficient.

mobile PCB; temperature field; simulation; CFD

2016- 04- 05

陈泽睿(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：CFD商业软件应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.023

TN761.4

A

1007-7820(2017)02-087-03