摘 要：首先建立了某電子設(shè)備計(jì)算模塊印制電路板的三維模型，然后依據(jù)熱傳學(xué)理論，使用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對三維模型進(jìn)行了熱仿真分析，最后獲得了計(jì)算模塊印制電路板的溫度場，熱分析結(jié)果為印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局提供了參考。

　　關(guān)鍵詞：印制電路板;熱仿真分析;ANSYS Workbench;溫度場

　　0 引言

　　近年來，隨著先進(jìn)制造技術(shù)在電子設(shè)備生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，電子設(shè)備已經(jīng)向便攜式、集成化、高密度和高運(yùn)算速度方向發(fā)展，印制電路板(PCB)上元器件的數(shù)量和集成度不斷增加，功率損失也相應(yīng)增加，同時(shí)導(dǎo)致單位體積電子元器件的發(fā)熱量增加[1] 。鑒于電子設(shè)備的高度集成性、計(jì)算快速性和運(yùn)行穩(wěn)定性等要求，對電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)要求也越來越高。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，55%的電子設(shè)備失效與過高的熱環(huán)境應(yīng)力有關(guān)。熱問題已成為影響設(shè)備使用性能和運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素之一[2] 。 PCB作為電子設(shè)備的重要組成部分，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響設(shè)備的性能高低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)�損壞電子設(shè)備[2] 。因此，對PCB上的元器件進(jìn)行熱仿真分析就顯得十分必要。電子設(shè)備的熱分析通常分為系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)及封裝級(jí)3個(gè)層次。本文研究對象為某電子設(shè)備計(jì)算模塊印制電路板，屬于板級(jí)熱分析的范疇[3-4] 。現(xiàn)首先建立某電子設(shè)備計(jì)算模塊印制電路板的三維模型，然后依據(jù)熱傳學(xué)理論，使用有限元分析軟件ANSYS Workbench對三維模型進(jìn)行熱仿真分析，獲得計(jì)算模塊印制電路板的溫度場，根據(jù)熱分析結(jié)果為印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局提供參考。

　　1 建立印制電路板的三維模型

　　1.1 模型的簡化假設(shè)實(shí)際的計(jì)算模塊印制電路板是由元器件和印制電路板基板組成，為了能夠進(jìn)行熱分析，必須對PCB結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，使其成為仿真分析模型[5] 。首先，對于PCB上外形結(jié)構(gòu)小的電阻、片式電容，由于其體積小、熱容量小，產(chǎn)生的熱量對整個(gè)PCB的溫度分布影響不大，在計(jì)算時(shí)可將其忽略。其次，對于PCB上外形結(jié)構(gòu)較大的發(fā)熱元器件，由于其封裝和材料性質(zhì)不同，必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化;對于外形結(jié)構(gòu)規(guī)則的器件，在熱分析時(shí)忽略其引腳，并用長方體或圓柱體代替。最后，印制電路板基板通常是復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)主要考慮其層數(shù)以及基板上金屬布線對PCB性能的影響，且忽略板上各種小的圓角、倒角及孔洞等細(xì)微結(jié)構(gòu)[5] 。

　　1.2 建立熱仿真分析模型依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，本文首先利用NX8.0軟件設(shè)計(jì)了兩種 PCB的三維模型，一種是將兩類4個(gè)發(fā)熱器件并列布置，如圖 1所示。另一種是將兩類4個(gè)發(fā)熱器件交叉布置，如圖2所示。

　　2 印制電路板的熱仿真分析

　　2.1 傳熱學(xué)理論在熱力學(xué)中，能量守恒定律亦稱為熱力學(xué)第一定律[6] ，即： Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE (1)式中，Q為熱量;W為功;ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能;ΔKE為系統(tǒng)動(dòng)能; ΔPE為系統(tǒng)勢能。對于多數(shù)工程傳熱問題：ΔKE=ΔPE=0，通常認(rèn)為沒有做功：W=0，則Q=ΔU。在穩(wěn)態(tài)熱分析情況下：Q=ΔU=0;

　　2.2 熱仿真分析基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式。在 ANSYS Workbench中可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種熱分析，常見的載荷共6種：溫度、熱流率、對流、熱流、熱生成率、熱輻射[6] 。

　　3 熱仿真結(jié)果分析

　　在不同工況和不同布置方式下，印制電路板工作時(shí)各元器件的熱分析結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3的熱分析結(jié)果，可獲得不同布置方式和散熱條通過分析表3和圖9的數(shù)據(jù)可得：(1)在自然條件和通風(fēng)條件好的散熱情況下，印制電路板 上 的 最 高 溫 度 依 次 為 105.23 ℃ 、103.04 ℃ 、87.05 ℃ 、 85.297 ℃，均超過了設(shè)備長期運(yùn)行時(shí)的允許溫度，不能滿足使用要求。改善散熱條件，在有散熱風(fēng)扇的情況下，電路板上的最高溫度依次為77.249 ℃、75.216 ℃，均沒有超過設(shè)備長期工作時(shí)的允許溫度，滿足使用要求。(2)在相同的工況條件下，發(fā)熱元器件并列布置方式的最高溫度均低于交叉布置方式，兩種布置方式的溫差約為2 ℃。(3)在有散熱風(fēng)扇條件下，發(fā)熱元器件并列布置方式的最高溫度與最低溫度差為41.73 ℃，低于交叉布置方式的最高溫度與最低溫度差45.3 ℃。并列布置方式的電路板由溫差引起的變形小于交叉布置方式。

　　4 結(jié)論

　　本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對計(jì)算模塊印制電路板進(jìn)行熱分析，結(jié)果表明：(1)不管是并列布置方式還是交叉布置方式，在自然和通風(fēng)條件好的散熱工況下，電路板上的最高溫度均超過了工作時(shí)的允許溫度，不能滿足設(shè)備長期運(yùn)行要求。當(dāng)有散熱風(fēng)扇時(shí)，電路板上的最高溫度均低于運(yùn)行的允許溫度，滿足設(shè)備長期運(yùn)行要求。在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需要加裝風(fēng)扇進(jìn)行散熱。(2)在相同的工況條件下，發(fā)熱元器件不同的布置方式會(huì)產(chǎn)生不同的溫度分布，并列布置方式下的最高溫度、溫差、變形均小于交叉布置方式。因此在電路板設(shè)計(jì)時(shí)選擇發(fā)熱元器件并列布置的方式。本文通過對印制電路板進(jìn)行熱仿真分析，可以為電路板的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)為設(shè)備的散熱提供了參考，對后期設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1] 馬巖.印制電路板詳細(xì)模型的熱仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2016，45(1)：52-55.

　　[2] 張世欣，高進(jìn)，石曉郁.印制電路板的熱設(shè)計(jì)和熱分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，257(18)：189-192.

　　[3] 黃云生.電子電路PCB的散熱分析與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

　　《計(jì)算模塊印制電路板的熱設(shè)計(jì)和熱仿真分析》來源：《機(jī)電信息》，作者：令狐克均、饒應(yīng)明、劉忠翔、李楊。