基于Icepak电源模块的热分析模拟仿真设计方法

林震，罗俊，朱朝轩，杨少华

（1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

随着科技的发展，各种型号的电源模块被更加广泛地运用于我国的航空航天、电子信息科技等领域中[1]。近年来，对电源模块需求量的快速增长，促使模块电源的技术水平得到了迅速的发展，此发展趋势对于电源模块的质量提出了相应的要求，同时也对于电源模块的失效分析方法和可靠性提出了更高的要求。本文以某型号电源为例，结合该电源模块的具体失效情况，进行模拟仿真的失效分析，得到了一套通用的电源模块的失效分析方法，对于提高相关产品的质量与可靠性具有重要的意义[2]。

1 电源模块的失效形式

电源模块的失效通常是由于某种内部或外部因素导致其组成元器件发生降级而引发的。内部因素主要产生于元件材料、版卡设计、组装和包装；外部因素取决于使用方式，主要包括电应力、静电放电和过载[3-4]。电源模块常见的失效模式包括：开路、短路、输出值不稳定、输出偏高、输出偏低和波纹过高。

本研究对某型号模块电源在做温度循环和高温老炼时出现的失效现象进行了分析，在显微镜下观察时发现：该型号模块电源的失效位置在其芯片处，经热风将焊点重新熔融冷却后，该芯片的功能恢复正常，因而推测其失效原因为引脚处产生了过大的应力，使焊盘发生脱落或是断裂。

根据该型号产品的具体情况，分析发现导致该失效现象的原因，主要为以下两点：1）高温试验和温循中的温度负载造成PCB变形；2）焊接时，该器件引脚的温度较高，产生较大的热应力。针对上述两种情况，分别设置两种分析条件进行分析，即：1）温度载荷，外壳温度设置为110℃，变压器功率为1 W；2）温度载荷，手工焊盘温度分别为200、300℃，环境温度为25℃。本次模拟仿真的分析，将根据产品的工艺生产经验，结合该产品的失效原因进行预测，开展相应的模拟仿真失效分析预测[5-6]。

2 电源模块的结构描述

该产品由两块PCB通过引针连接，安装于防锈铝管壳内，再填充灌封胶进行封装。在本分析任务中，定义失效器件所在的PCB为PCB板1，有变压器开孔的PCB为PCB板2。该产品的三维结构示意图如图1所示。

图1 三维结构示意图

3 电源模块的模拟仿真分析

3.1 模拟仿真准备

为了简化模型、提高计算效率，在热应力分析建模时未考虑没有失效的PCB板2，在位移分析时未考虑管壳。忽略掉尺寸较小且不发热的元件，管壳部分细节如圆角等做简化处理。全局网格划分质量选择Fine，失效器件和PCB板1单独进行网格细化，网格尺寸设置分别为0.2 mm和0.5 mm。失效器件塑封部分同PCB的接触进行抑制，其他接触均采用绑定设置。坐标系如图2所示，选取的主要结构材料的参数如表1所示。根据实际情况，只对管壳底面进行固定约束，位移分析时对一侧引针或PCB板进行固定约束。

图2 坐标系示意图

表1 主要结构材料参数

3.2 结构力学分析

3.2.1 评定准则

本研究主要分析焊盘处在热负载和位移负载下的应力响应情况，所以整个研究采用静力条件下的强度校核评估准则。焊盘连接处的材料为合金，无法获取准确的强度参数，故采用焊料的最大许用应力作为评估标准。铅锡拉伸强度约为40～50 MPa，剪切强度约为40 MPa，取塑性材料安全系数为1.4～1.7， 许用应力为 23.5～35.7 MPa。

在分析相关条件时，由于无法获取准确的温度负载和位移负载，故只进行对比分析，仅考察相对变化量，不对绝对值进行评价。

3.2.2 外壳温度情况模拟仿真

对模型进行热应力分析，温度载荷按表1的设置在Icepak中计算后导入静力分析模块，电路板的厚度分别取0.9 mm和1.2 mm，不同厚度的电路板的温度分布情况分别如图3-4所示，电路板的位移变形情况分别如图5-6所示，元器件焊盘等效应力情况分别如图7-8所示。

图3 0.9 mm厚电路板温度分布示意图

图4 1.2 mm厚电路板温度分布示意图

图5 0.9 mm厚电路板位移变形情况示意图

图6 1.2 mm厚电路板位移变形情况示意图

图7 0.9 mm厚电路板元件焊盘等效应力

图8 1.2 mm厚电路板元件焊盘等效应力

由上述模拟仿真分析结果可知：PCB的变形跟温度和PCB元件分布有关，而失效元件位置正好在变形较大的区域，并且元件两侧引脚处的PCB变形不同，而变形不一致也是应力产生的原因之一。同时可以观测到失效元件引脚外的应力不同，在靠近变压器侧即PCB中心区域的应力较大，在30～40 MPa之间，根据本研究评定准则，较为接近临界值。同时，如果将PCB板的厚度由0.9 mm增加至1.2 mm，对温度分布基本没有影响，PCB的变形改变不明显；引脚处的应力值减小为25～30 MPa，虽然有一定的改善，但仍处于临界值附近。

3.2.3 焊盘温度情况模拟仿真

对模型进行热应力分析，由于仿真瞬态温度的时间较长，故采用稳态设置不同温度值的方法来近似地模拟手工焊接时间长短对元件引脚处应力的影响。采用0.9 mm厚的电路板模型，手工焊盘在元件上方2.5 mm位置，温度载荷按分析条件2的设置在Icepak中计算后导入静力分析模块。引脚温度分布情况分别如图9-10所示，电路板的位移变形情况分别如图11-12所示，元器件焊盘等效应力情况分别如图13-14所示。

图9 负载300℃引脚位置温度示意图

图10 负载200℃引脚位置温度示意图

图11 负载300℃电路板位移形变情况

图12 负载200℃电路板位移形变情况

图13 负载300℃焊盘应力情况示意图

图14 200℃焊盘应力情况示意图

在手工焊接的过程中，手工焊接的时间长短对于周围环境温度会有轻微的影响，本研究只是近似地模拟焊接过程，以及假设周围环境恒定不变，同时通过负载温度的高低来表征手工焊接时间的长短，以求获得与实际情况最为吻合的仿真结果。可以从以上仿真结果得知，当在手工焊接时间不同情况的影响下，以及在负载300℃和200℃的条件下，元件引脚处温度和热应力分布情况综合分析的结果是：失效元件引脚处的温度降低30℃时，产生的热应力将减小20～40 MPa。

4 结束语

经过多次模拟仿真，可以判断仿真设计结果与失效模式判定与工程实际运用情况吻合。并且通过模拟仿真发现，在产品选型的过程中，由于主要器件的封装自身结构和安装位置对产品的热应力产生影响，在今后的生产中应该尽量地避免使用该类型封装的器件；同时，在设计工艺中应该注意其放置位置，避开变形较大的区域。在使用手工焊接的过程中，由于焊接工艺的原因容易造成局部温度较高的情况，所以在今后的设计中应调整电路板中手工焊接点的位置，使其远离敏感和易失效的元件。在焊接过程中，由于温度的升高，会导致电路板的翘曲应力受温度影响而再次释放，因而在工艺允许的范围内应尽量地增加电路板的厚度；并且应调整人工焊接的焊接顺序；最后，长时间的焊接点应该是远离敏感器件，并且通过改进夹具和增加解焊步骤，在焊接过程中和完成后注意电路板翘曲形成的应力释放。

[1]屠丽英.电源的设计及验证技术研究 [D].成都：电子科技大学，2012.

[2]陈莹梅，胡正飞.模拟集成电路技术与设计器 [M].北京：电子工业出版社，2014.

[3]JEFFREY T， KRING J.LabVIEW for everyone[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4]张蕊，汪凯蔚，沈峥嵘.高可靠电子设备可靠性仿真试验技术应用研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2012， 30 （6）： 19-25.

[5]中国人名解放军总装备部电子信息基础部.可靠性鉴定和验收试验：GJB 899A-2009[S].

[6]许连虎，杨科.发热盒散热设计的热仿真及热测试分析[J].装备环境工程，2015，12（1）：97-101.

世界首列氢燃料电车唐山开跑 唯一排放物只有水

10月26日，中车唐山公司研制的世界首列商用型氢燃料混合动力100%低地板现代有轨电车在河北唐山市唐胥铁路载客运营。这也是全球范围内，氢燃料电池有轨电车首次商业运营，标志着我国在新能源轨道交通领域实现重大突破。

氢燃料电池技术是全球清洁能源开发利用的主流方向，通过氢与氧的直接电化学反应发电，是电解水的逆过程，能量密度高、噪音低、无污染，发电反应最高温度不超过100℃，不产生氮氧化合物，唯一的排放物质只有水，是真正的 “零排放”。经过4年多攻关，中车唐山公司率先在全球首次突破了燃料电池/超级电容混合动力牵引和控制等一系列关键技术，研制的有轨电车完全取消了电弓和接触网，填补了该领域空白，实现污染物 “零排放”和全程 “无网”运行。

唐胥铁路具有136年的历史。唐山市为打造工业特色旅游产业，充分利用 “中国铁路零公里”及“老工业基地”等特色景区的吸引力，将唐山南站、开滦矿山公园、启新1889工业园及南湖风井组成的 “中国铁路源头游”三条铁路打造成唐山工业旅游线路。

据悉，唐山工业旅游线路采用氢燃料电池有轨电车，无需架设接触网，不用沿途安装第三轨和充电桩，完整保留了百年唐胥铁路的原貌。列车采用世界最先进的100%低地板技术，车厢地板距轨道面仅35 mm，无需站台；最小转弯半径仅19 m，可沿现有城市道路直接铺设轨道，在地面行驶和停靠，乘客轻松搭乘。线路运营全程13.84 km，有轨电车一次快速加氢只需15 min，可持续行驶40 km，最高运行时速70 km。

中车唐山公司介绍，氢燃料混合动力有轨电车，采用2动1拖3辆编组，设乘客座位66个，最大载客量336人，还可根据运营需求灵活增加编组和载客量。这种有轨电车不仅可以最高速度持续运行，而且在制动、停站时，由燃料电池和制动能量回收系统为超级电容和蓄电池充电，能量回收率达30%以上。

（摘自新浪科技）