基于Icepak的板级电路的热设计及热仿真分析

王婷，邹颖，李哲，杨晓庆

(四川大学电子信息学院，成都 610065)

0 引言

近年来，现代工业和科学技术发展迅速，小型化、集成化是设备、元件器等电子产品的发展趋势。电子元器件体积不断缩小但功率密度却快速增加，导致电子产品工作功耗和发热量的急剧增大；同时印刷电路板(PCB)上的元器件安装朝着高密度方向发展，这也使得元器件的散热空间越来越小，元器件的热流密度急剧增高[1]。元器件过热会导致电子产品的性能下降或变得不稳定，甚至会导致电子产品损坏，直接影响电子产品的可靠性[2]。相关数据表明，电子产品故障有55%是与过热环境有关[3]。PCB是电子产品的重要组成部分。其设计是否合理将直接影响设备的性能，严重时甚至会损坏电子产品[3]。因此，在电子产品设计过程中对PCB板进行热设计变得越来越重要已然不能忽略。

热设计主要包括传统方法和仿真计算方法。传统方法是指设计人员凭借过去的经验对电子产品进行热设计，但是经验方法具有很大的主观性，且很难获取定量的热设计结果。一旦出现严重的热设计不合理的情况，依照传统的设计—实验—修改方案—再实验的方法，生产周期将很长，过程也很复杂。仿真计算方法指使用计算软件构建电子产品的数值模型，并通过数值计算和图像显示来获得电子产品的热设计结果。热仿真方法能够在设计电子产品的初始阶段得到产品热数据。设计人员可以根据热数据修改设计，从而节省研发时间并降低了开发成本。热仿真方法是目前国内外电子产品可靠性分析的主要分析方法之一[4]。

本文以某电路板为例展开热仿真分析，对该板级电路建立了三维热仿真分析模型。然后根据热传学理论，利用热仿真软件Icepak对板级电路进行仿真分析，得到了电路板温度的分布情况。通过对热仿真结果的分析，为板级电路布局设计提供了一定的理论基础，对电路板的布局设计有着重要参考价值。

1 建立板级电路三维有限元模型

1.1 模型简化假设

实际的板级电路是由PCB板和其上的元器件组成的，对正常工作情况下的板级电路进行热仿真分析时，需要合理简化板级电路的结构让其变成计算机仿真分析模型[5]。合理简化具有特定物理和几何特征的板级电路是获得正确热仿真结果的重点[6-7]。首先对表面贴装元器件进行简化。功耗大的元器件将对温度场产生很大的影响，因此不管大小如何都应留下；几乎不产生功耗的元器件，如果尺寸较大则会对流场产生影响，所以也要留下。这部分元器件的封装结构和材料性质各异，所以必须简化其结构。具有常规形状的元器件，在热仿真过程中忽略引脚，使用长方体或圆柱体予以替换。除此以外，PCB上的片状电容、电阻具有小的外形结构和小的热容量，产生的热量对PCB的温度场分布影响很小，因此在热仿真时可以忽略不计。

对于PCB，建模时主要考虑层数和其上的金属布线对PCB性能的影响。对于有金属布线以及多层的PCB，其材料参数是各向异性的。对于各向异性材料的PCB，可以使用平均材料参数的方法来简化。并且忽略PCB板上各种小圆角、倒角和孔洞等结构[8]。

1.2 建立板级电路热仿真分析模型

在本文中，板级电路热仿真分析模型的建立和热仿真使用热仿真软件ANSYS Icepak完成。ANSYS Icepak是针对电子产品热分析的专业分析软件，可以实现电子产品的建模、网格划分、求解计算和后处理等工作。在建立热仿真分析模型的过程中，对电路板进行了合理简化，可利用ANSYS的实体建模功能建立了简单的板级电路热仿真分析模型。本文仿真计算的板级电路主要包括基板PCB和一个发热元器件U1，图1为该板级电路实体模型图。其中，PCB是6层板，尺寸为55mm×42mm×1.8mm，PCB材料为绝缘材料FR4并覆铜。根据上一节模型简化假设，除了发热元器件U1其他元器件均可忽略。建模时将元器件定义为三维块体，材料选择在Icepak中自定义的封装材料。表1列出了各个组件的名称、尺寸、功率和生热率。

图1 板级电路实体模型

表1 板级电路各组件名称、尺寸、功率及生热率

2 Icepak热仿真分析

2.1 传热学理论

在热力学中，能量守恒与转化定律也称为热力学第一定律[9]，即：

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(1)

式中，Q为热量；W为功；ΔU为系统内能；ΔKE为系统动能；ΔPE为系统势能。

对于多数工程传热问题：ΔKE=ΔPE=0，通常认为没有做功：W=0，则Q=ΔU。

在稳态热分析情况下：Q=ΔU=0；

在瞬态热分析情况下：q=dU/dt。

热传导的控制方程为[9]：

(2)

2.2 热仿真分析

在ANSYS Icepak中对PCB进行热仿真分析时，首先对板级电路热仿真模型进行网格划分，然后选择六面体主导网格(Mesher-HD)进行全局计算，周围采用粗略网格设置，因PCB板厚度方向尺寸较小，划分网格时在此方向采用精细网格设置。边界条件的设定：计算区域6个面设定为开口(Openings)类型，选择自然对流模型Bouss-inesq approximation。根据ANSYS Icepak针对设置的参数，自动计算的雷诺数和瑞利数，流态选择Turbulent湍流，使用Zero equation零方程模型。设置重力方向与求解初始化速度0.15 m/s，并开启辐射换热方式。环境温度设为20℃。设置求解器的压力项和动量项迭代因子、迭代步数及收敛残差就可开始仿真。

此次主要研究发热元器件U1在PCB板不同位置时对板级电路温度场的影响。令U1从PCB板左上角开始移动，为了更好地描述，在PCB板上建立坐标系，图2为该板级电路坐标图。把PCB板左上角设置为原点，横向为X轴，纵向为Y轴。当发热元器件U1在坐标原点时，记为位移(0，0)，即发热元器件U1在PCB板上沿X 方向移动了0mm，沿Y方向移动了0mm。U1沿X方向时，每次移动10mm；沿Y方向位移时，每次移动5mm。(15，20)表示发热元器件U1从左上角的坐标原点开始沿X方向移动了15mm，沿Y方向移动了20mm。

图2 板级电路坐标图

本文对元器件U1在PCB基板上不同位置时进行热仿真分析，图3～5为位移(0，5)、(10，25)、(30，30)、(20，15)时，板级电路的温度分布图。

图3 元器件U1位移(0，5)

图4 元器件U1位移(10，25)

图5 元器件U1位移(30，30)

图6 元器件U1位移(20，15)

3 热仿真结果分析

当发热元器件U1在PCB不同位置时，板级电路的最高温度值如表2所示。为了方便看出U1在PCB不同位置时对板级电路的影响，根据表2中的数据，整理出了如图7、图8所示的折线图。图7的横向坐标轴是U1在PCB基板上沿X方向的位移量，纵坐标轴是板级电路的最高温度。图8的横坐标轴是U1在PCB基板上沿Y方向的位移量，纵向坐标轴是板级电路的最高温度。

表2 板级电路最高温度

图7 元器件沿X方向位移时温度曲线

图8 元器件沿Y方向位移时温度曲线

由图7、图8可以看出，元器件在Y方向位置保持不变时，沿x方向移动0～25mm时，板级电路的最高温度逐渐降低；而后随着位移数值的增大，沿x方向移动25～40mm，板级电路的最高温度逐渐增加。元器件在x方向位置保持不变时，沿y方向移动0～15mm时，板级电路的温度逐渐降低；而后随着位移数值随之增大，沿y方向移动15～30mm，板级电路的最高温度逐渐增大。从上述分析可以知道，当发热元器件U1在PCB基板边缘时，板级电路的最高温度最高。在U1向PCB中心位置移动过程中，电路板的最高温度渐渐降低。U1在PCB中心位置时板级电路的最高温度是最低的。U1在板级电路不同位置时，板级电路最高温度最大相差约18.2℃。

4 结语

利用有限元分析软件ANSYS Icepak，针对某板级电路建立了热仿真分析模型，并基于有限元理论进行了热仿真分析，得到了板级电路的温度场分布情况。通过对发热元器件U1在板级电路上不同位置时进行热仿真分析，并比对分析热仿真结果可得到以下结论：在相同环境条件下﹐发热元器件在PCB上不同位置时会产生不同的温度分布﹐板级电路元器件的位置对板级电路的温度有着重要影响。发热元器件在PCB板的边缘位置时，板级电路的最高温度是最高的。随着发热元器件U1逐渐向板级电路的中心位置移动，整个板级电路的最高温度逐渐降低。U1在板级电路中心时的最高温度﹑温差时最小的，与U1在边缘位置时的最高温度最大相差18.2℃。因此设计电路板时，发热元器件位置不可以过于靠近PCB板边缘，避免板级电路温度过高，防止温度过高而导致电子设备发生损坏。板级电路布局时，应尽量将发热元器件放在板级电路的中心位置，留出足够的散热空间以获得较好的散热效果。这将使得板级电路的最高温度减小，并且整个PCB板温度场的分布也将变得更加趋于平缓，从而减小了热应力的产生，提高了元件器和板级电路的热可靠性。

本文通过对板级电路的热仿真分析证明了发热元器件在PCB板上的位置对板级电路的温度有着重要影响。合理的布局可以降低板级电路的最高温度，也将使得板级电路的温度分布变得平缓，提高了板级电路的热可靠性。这为板级电路的布局设计提供了一定的理论基础﹐对板级电路的研发具有重要意义。