空間PCB散熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)參考模板

1、1 / 6空間 PCB 散熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)陳粵，呂樹(shù)申*(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 廣州, 510275)摘要：摘要：本文通過(guò)對(duì)應(yīng)用于航天器的 PCB（Printed Circuit Board）電路板進(jìn)行熱分布分析，借助 I-deas/TMG 軟件對(duì) PCB 進(jìn)行建模，研究了輻射在 PCB 散熱中的角色、散熱銅板層數(shù)優(yōu)化以及表面輻射率（也稱黑度）對(duì)散熱的影響。結(jié)果表明，增強(qiáng)熱傳導(dǎo)(即增加銅板厚度)可防止 PCB 局部溫度過(guò)高；輻射的作用在高溫時(shí)明顯，而低溫時(shí)較弱；表面發(fā)射率對(duì)散熱的影響也隨溫度的降低而減小。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：PCB；I-deas/TMG；輻射散熱；傳導(dǎo)散熱1.前言隨著以集成

2、電路及芯片為主的微電子機(jī)械系統(tǒng)在信息、工業(yè)、汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，高功率、微型化、組件高密度集中化的趨勢(shì)也在迅速普及，其中散熱效果已成為決定其產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠度的重要因素。一般而言電子元器件的工作可靠性對(duì)溫度極為敏感，器件溫度在 70-80水平上每增加 1，可靠性就會(huì)下降 5%1,因此熱控制方案成為電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程中需要充分考慮的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題2。I-deas/TMG 現(xiàn)在稱為“NX MasterFEM TMG Thermal” ，是 UGS 系列注冊(cè)軟件之一“I-deas NX Series”的一個(gè)內(nèi)置模塊3。NX Master FEM TMG 是一個(gè)全面的傳熱仿真程

3、序，它采用先進(jìn)的有限元分析方法建立非線性、瞬態(tài)熱交換問(wèn)題的模型，采用 3 維建模思想，創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)幾何與熱分析有限元模型，快速精確地求解復(fù)雜的傳熱問(wèn)題4。本文應(yīng)用 I-deas/TMG 對(duì)在空間運(yùn)行的電子系統(tǒng)中的 PCB 電路板進(jìn)行熱分布分析，主要研究輻射系數(shù)和散熱銅板的層數(shù)在電路布置和整體散熱中的作用、對(duì)溫度分布的影響（沒(méi)有考慮地面對(duì)流的影響） ，并對(duì)整個(gè)電路板所在箱體進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.模型介紹：2.1 PCB 熱模型描述待模擬的 PCB 板（簡(jiǎn)稱“熱板”)是機(jī)箱內(nèi)一系列 PCB 電路板組中發(fā)熱量最大的一塊，被裝配在最靠近箱殼的一面，并將其發(fā)熱量較大的一面（正面）朝向溫度較低的箱殼，以加

4、強(qiáng)散熱。為了簡(jiǎn)化模擬，截取了機(jī)箱中最具代表性的一部分作為“簡(jiǎn)化模型”來(lái)進(jìn)行模擬（即從箱殼到“熱板”相鄰的另一 PCB 板之間的箱體空間） 。圖 1 為機(jī)箱簡(jiǎn)化模型圖。 “簡(jiǎn)化模型”為長(zhǎng)方體，底面為“熱板”相鄰的 PCB 板，其溫度設(shè)為恒定 20；其他五個(gè)面為箱殼，溫度為 0；“熱板”位于中部，介于箱殼與另一 PCB 之間，板間距為 20mm。圖 機(jī)箱簡(jiǎn)化模型圖，中間為“熱板”且正面朝上，底面為另一 PCB 板。（a）正面 （b）反面圖 元件分布圖（紅色部份為工作的發(fā)熱元件） 。如圖 2 所示，PCB 板正反兩面均分布許多電子元件，根據(jù)尺寸及發(fā)熱情況對(duì)其進(jìn)行模型化。整理得到 PCB 正面排布 9

5、 路元件組，中央?yún)^(qū)為 DCDC；背面排布 6 路開(kāi)關(guān)電路。PCB 工作時(shí)正面有三路元件組同時(shí)運(yùn)行，背面一路開(kāi)關(guān)電路協(xié)助工作。本文模擬了其發(fā)熱最集中的工作模式，即正面三路集中分布于電路密集區(qū)域，背面一路也位于正面工作電路的對(duì)應(yīng)背面。PCB 板的兩端為冷端，并設(shè)定溫度值為 0，傳導(dǎo)熱量流入此 Heat Sink。除了傳導(dǎo)散熱外，PCB 還通過(guò)箱體內(nèi)壁以及相鄰 PCB 板的交換輻射進(jìn)行熱疏導(dǎo)。2.2 TMG 傳熱模型描述TMG 支持三種類型的切割方式：3 維體切割、2 維面切割和 1 維梁切割。進(jìn)行切割前需定義材料性質(zhì)參數(shù)（其中導(dǎo)熱系數(shù)為熱傳導(dǎo)模擬必須參數(shù)，若考慮輻射，則仍需定義發(fā)射率） ，并于切割

6、時(shí)與單元相關(guān)聯(lián)。本模型假設(shè) PCB 基板由多層銅板(單層厚度為 0.0165mm)復(fù)合而成，銅導(dǎo)熱系數(shù)為 340W/mK；電子元件材料導(dǎo)熱系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值 34W/mK。對(duì)于基板，用 Surface by Boundary 命令設(shè)定平面，以此代替厚度為 2mm 的基板，然后采用 shell mesh 進(jìn)行面切割，厚度定義為 n*0.0165（具體厚度分別取不同 n 值） 。電子元件的切割采用正面單路元件DCDC反面單路元件solid mesh 和 shell mesh 相結(jié)合的方法進(jìn)行切割，采用 shell mesh 是考慮到進(jìn)行輻射傳熱時(shí)，需要元件表面有一層平面單元。而電子元件與基板間的接觸熱

7、阻用 Thermal Coupling 進(jìn)行定義，單個(gè)元件接觸熱阻值為 0.7K/W。發(fā)熱定義根據(jù)模擬情況，逐個(gè)用 Thermal Boundary Condition 進(jìn)行基于幾何形狀的定義，設(shè)置相應(yīng) Heat Load 值；冷端也采用同樣方法設(shè)置Temperature 等于 06。輻射的模擬，借助了箱體。PCB 板置于箱體中部，整個(gè)箱體與 PCB 板定義為同一個(gè)FEM。根據(jù)模擬情況對(duì)箱體六個(gè)面（其中一個(gè)面模擬發(fā)熱量較低的另一塊 PCB 板）進(jìn)行面切割，定義面切割厚度為 6*0.0165，材質(zhì)為銅，導(dǎo)熱系數(shù)為 340W/mK。并用 Thermal Boundary Condition 根據(jù)模

8、型設(shè)定各個(gè)面溫度。檢查單元 Z 方向：其中箱體各個(gè)面的單元 Z方向朝向箱體內(nèi)部；中間 PCB 上元件的平面單元 Z 方向向外；PCB 基板單元朝向垂直于平面。用 Reverse Sides 定義 PCB 基板具有反面輻射能力，并定義其相關(guān)輻射參數(shù)與正面相同。設(shè)定一個(gè) Radiation Request，并選定其為“All Radiation”7。進(jìn)行 FEM（有限元分析）切割后模型如圖 3 所示。 （a）PCB 板 FEM 模型 （b）箱體與 PCB 板接合后的 FEM 模型圖 PCB 板 FEM 模型及考慮輻射箱后 FEM 模型。3.結(jié)果與分析3.1 元件分布對(duì)溫度分布的影響PCB 板正面共

9、有 9 路工作電路，正常工作時(shí)有 3 路在運(yùn)作，當(dāng)三路運(yùn)作的電路集中分布和分散分布時(shí) PCB 板的溫度分布及最高溫度是不同的。通過(guò) TMG 的模擬，給出了形象的溫度分布情況及最高溫度值。圖 4（a）為 PCB 正面三路工作電路分散工作情況示意圖及熱分析結(jié)果溫度分布圖，圖 4（b）為模擬正面三路工作電路“集中分布工作”時(shí)的溫度分布情況，皆未考慮輻射，且兩圖的基板均為 6 層銅板即厚度為 0.099mm。由圖 4（a）與圖 4（b）可見(jiàn)：分散分布時(shí)，最高溫度位于 PCB 板中部，工作電路所在區(qū)域溫度高于未工作電路區(qū)，溫度向兩個(gè)冷端遞減，未考慮輻射時(shí) PCB 最高溫度為24.5；而集中分布時(shí)，最高溫

10、度位于三路集中分布的工作電路區(qū)域，溫度依次向兩個(gè)冷端遞減，未考慮輻射時(shí) PCB 的最高溫度為 40.3。由此看出，設(shè)計(jì) PCB 電路時(shí)，在滿足電子性能的前提下讓高發(fā)熱電路盡量分散，并使發(fā)熱量大的電子元件盡量靠近冷端，則可讓 PCB 整體溫度均勻分散并保持在較低的溫度水平。 （a） 正面三路工作電路分散分布工作情況示意圖及溫度分布圖 （b）正面三路工作電路集中分布工作情況示意圖及溫度分布圖圖 PCB 正面三路電路分散分布工作與集中分布工作比較0204060801001201401601802000.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.140銅板厚度/mm最高溫度

11、T/不考慮輻射PCB最高溫度/考慮輻射PCB最高溫度/0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.80.91發(fā)射率最高溫度T/3層（0.0495mm）基板最高溫度/6層（0.099mm）基板最高溫度/圖 不考慮輻射與考慮輻射最高溫度與 圖 6不同基板厚度下發(fā)射率與最高溫度關(guān)系銅板厚度的關(guān)系圖3.2 板層厚度與輻射之間的關(guān)系通過(guò)不同層數(shù)的銅基板的模擬探討基板銅厚度對(duì)散熱的影響。單層銅板厚度為0.0165mm，基板銅厚度為 n*0.0165；輻射發(fā)射率0.9，模擬結(jié)果如圖 5 所示。圖 5 示出，層數(shù)較少時(shí)，板傳導(dǎo)性能降低，局部聚集的熱量沒(méi)法通過(guò)傳導(dǎo)帶走，溫度

12、上升到較高層次，隨著溫度的上升，輻射便得到加強(qiáng)，輻射起到散熱的主要作用。而層數(shù)增大，傳導(dǎo)加強(qiáng)后，生成的熱量很快被帶走，溫度下降，輻射強(qiáng)度降低，熱量的疏導(dǎo)主要由傳導(dǎo)承擔(dān)。而板的傳導(dǎo)非常好，以至板溫度低于環(huán)境時(shí)，輻射反而成為 PCB 板的熱源。故基板傳導(dǎo)性能差，溫度在較高時(shí)，輻射強(qiáng)烈；銅板傳導(dǎo)性較好時(shí)，溫度能降至較低，此時(shí)輻射對(duì)熱疏散貢獻(xiàn)不明顯；基板傳導(dǎo)優(yōu)化到一定程度即可，若再進(jìn)一步優(yōu)化傳導(dǎo)，其作用不明顯。若 PCB 板需要維持在較低溫度，需加強(qiáng)基板熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3 輻射發(fā)射率的影響本小節(jié)通過(guò)模擬不同發(fā)射率下基板的最高溫度，探討發(fā)射率對(duì)不同厚度基板散熱的影響,模擬結(jié)果如如圖 6 示?？梢?jiàn)基板傳

13、導(dǎo)性能較好，溫度不高情況下，增大發(fā)射率（可通過(guò)在表面涂特制漆）對(duì)傳熱優(yōu)化并不明顯；而若基板傳導(dǎo)性能較差、基板溫度高時(shí)，增大發(fā)射率對(duì)散熱有較明顯作用。4.結(jié)論本文采用 I-deas/TMG 對(duì)太空中應(yīng)用的 PCB 電路板進(jìn)行熱分析。結(jié)果表明，增加 PCB板熱傳導(dǎo)性能有助于防止部分高功率電子元件溫度過(guò)高。當(dāng)電子設(shè)備溫度要求苛刻時(shí)，如40以下，采用 6 層銅板（厚度為 0.099mm）可以有效實(shí)現(xiàn)；而一般的電子設(shè)備可采用 3 層（0.099mm）銅板即實(shí)現(xiàn)最高溫度 70左右。輻射在 PCB 板溫度較高時(shí)能起到明顯散熱作用，而低溫下作用不明顯。增大基板表面發(fā)射率在 PCB 板傳導(dǎo)性較差時(shí)，能較明顯的加

14、強(qiáng)散熱。在采用 6 層銅板時(shí)，若從 0 改善至 0.9 可實(shí)現(xiàn) 8.5的溫度降低；在采用 4 層銅板時(shí)，當(dāng)發(fā)射率改善至 0.9 后，將比發(fā)射率為 0 時(shí)有 26.9的降低。但基板溫度較低時(shí)，發(fā)射率的增大對(duì)散熱作用較小。參考文獻(xiàn)1 齊永強(qiáng)，何雅玲，張偉等.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的初步研究.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，(1): 7379.2 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作點(diǎn)評(píng).電子機(jī)械工程，1999，(1): 2728.3 TMG Thermal Analysis Users Guide, I-DEAS 11m1 NX Series, UGS PLM Solutions Inc., Plano, Texas.4

15、陶文銓.計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展.科學(xué)出版社，2005: 400409.5 葉宏.NX MasterFEM 熱分析教程.北京:清華大學(xué)出版社,2005.106 Seung-Yo Lee, Lingyin Zhao, J.D. van Wyk, et al, “Thermal Analysis for Series LC Integrated Passive Resonant Module Based on Finite-Element Modeling,” Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd

16、 Annual, Volume 2, 23-27 June 2002 Page(s):1009 - 1014 vol.27 Philippe Feautrier, Eric Stadler, Pascal Puget, “Interest of thermal and mechanical modeling for cooled astronomical instruments: the example of WIRCam,” Proc. SPIE Vol. 5497, p. 149-160Simulation and Thermal Optimizing Design of PCB Work

17、ing in SpaceYue Chen, Shu-Shen Lu*(School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China)Abstract:In this paper, the thermal analysis of Printed Circuit Board running in space has been conducted by the modeling of NX MasterFEM/TMG software. The effects of the emissivity of PCBs surface on the radiation and the optimized copper board layers have been computational studied in detail. The results show that the PCBs local overheated can be effectively prevented when enhancing the conduct