印制板芯片布局熱仿真及分析

徐 強(qiáng)， 謝春輝， 王耀金

(上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

0 引言

有多個大功耗芯片的印制板在加電較長時間后，芯片溫度會顯著升高，而溫度的升高對電路的性能及可靠性將產(chǎn)生不利影響。研究表明[1]，印制板上芯片的溫度每升高10 ℃，芯片的性能要下降約4%，芯片失效率和延遲率均隨著溫度的升高而顯著升高。50%以上的集成電路中的失效問題是與溫度問題相關(guān)，其中包括許多集成電路失效機(jī)制(如電遷徙，熱載流子效應(yīng)等)[2]。因此，電路熱分析已逐步成為電路分析中的一個熱點(diǎn)。

針對現(xiàn)階段航天產(chǎn)品中印制板的發(fā)熱問題，本文借助熱仿真工具研究印制板上芯片布局方式對印制板發(fā)熱的影響，并采取相應(yīng)優(yōu)化措施后對比了印制板溫度變化，為后續(xù)印制板布局設(shè)計以及散熱提供設(shè)計依據(jù)。

1 熱傳遞

熱傳遞是進(jìn)行PCB印制板熱分析的理論依據(jù)，熱傳遞有以下三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。

熱傳導(dǎo)是兩個相互接觸的物體或同一個物體的各部分之間由于溫度不同引起的熱傳遞現(xiàn)象[3]，遵循傅里葉定律：

(1)

式中：Q為熱傳導(dǎo)傳遞的能量；k為導(dǎo)熱系數(shù)；A為沿著傳導(dǎo)方向上的橫截面；dT/dx為T在x方向上的變化率。

熱對流是依靠發(fā)熱體周圍介質(zhì)流動轉(zhuǎn)移熱量的過程。在具體工程應(yīng)用中，自然對流下從發(fā)熱體表面到周圍空間的熱流方程為

Qc=AhΔT

(2)

式中：Qc為對流交換的熱量；A為流體接觸的物體表面積；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(也稱對流換熱系數(shù))；ΔT為物體表面與周圍流體的溫差。

考慮到熱輻射對本文研究對象影響非常小，故在此不作具體介紹。

2 熱分析模型

印制板芯片在加電過程中，由于熱傳導(dǎo)以及熱對流的存在，板子周圍會形成一定的溫度場。一般而言，印制板通過十字螺釘固定連接在鋁合金制的殼體里，所以鋁合金殼體也會吸收一部分熱量，起到幫助散熱的效果。下面以某一多芯片印制板為例，建立熱分析模型。

印制板熱源主要來自于五塊發(fā)熱芯片，五塊芯片除了功率不同外，尺寸上面也有略微不同，具體參數(shù)如表1所示。

表1 印制板芯片的物理參數(shù)表

嚴(yán)格來講，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度變化而改變的物理量。本研究中，考慮到各材料溫度變化范圍小于150 ℃，因而導(dǎo)熱系數(shù)可近似取定值。芯片材料Si取145 W/(m·K)，殼體材料鋁合金取150 W/(m·K)。另外，印制板常用材料純FR4的導(dǎo)熱率為0.35 W/(m·K)，由于基板上覆銅，而銅的導(dǎo)熱率為388 W/(m·K)，因而整體印制板的材料整定為合成FR4，取16 W/(m·K)[4]。仿真過程中，假設(shè)外界溫度為22 ℃，并考慮所有與空氣接觸的熱對流，其中對流換熱系數(shù)取0.03 W/(m·K)。

3 熱仿真方法

印制板上的發(fā)熱芯片在正常工作時功率是確定的，因此需要通過研究不同芯片布局下印制板的溫度場分布，來找出比較理想的芯片布局。綜合考慮實(shí)際工程中印制板布線整齊以及模塊與模塊的相對獨(dú)立性，設(shè)計出幾種典型布局，如圖1所示。

圖1(a)中，發(fā)熱量最大的芯片A布置在中間，其他四塊芯片布置在四個角上，d為芯片到印制板邊的距離。圖1(b)中，芯片A布置在其中一個角上。圖1(c)中，芯片A布置在中間，其他四塊芯片十字形布置。

根據(jù)d取值不同，布局Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3分別對應(yīng)圖1(a)中d取20，40，60 mm；布局Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅲ-3分別對應(yīng)圖1(b)中d取20，40，60 mm；布局Ⅲ-1，Ⅲ-2，Ⅲ-3分別對應(yīng)圖1c中d取20，40，60 mm。

4 仿真數(shù)據(jù)

(1) 布局Ⅰ

由表2的結(jié)果可知，最高溫度均發(fā)生在芯片一上，對應(yīng)布局Ⅰ-1，Ⅰ-2，Ⅰ-3分別為91.4 ℃，97.2 ℃，116.1 ℃。布局Ⅰ-2的最高溫度比布局Ⅰ-1升高了6.3%，布局Ⅰ-3的最高溫度比布局Ⅰ-1升高了26.9%。顯然，隨著周圍四個芯片與芯片A距離的減小，各個芯片溫度都不斷升高。因此在考慮此種芯片布局時，建議在有條件下盡量拉開芯片之間的距離，以降低相互之間的發(fā)熱影響。

表2 布局Ⅰ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

(2) 布局Ⅱ

由表3的結(jié)果可知，最高溫度同樣發(fā)生在芯片A上，對應(yīng)布局Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3分別為81.3 ℃，88.2 ℃，101.4 ℃。布局Ⅱ-2的最高溫度比布局Ⅱ-1升高了8.5%，布局Ⅱ-3的最高溫度比布局Ⅱ-1升高了24.7%。對比表3中其他數(shù)據(jù)可知，該芯片布局也是隨著芯片與芯片之間距離的減小，溫度呈不斷上升趨勢。

(3) 布局Ⅲ

由表4布局Ⅲ三種方式各芯片最高溫度可知，對應(yīng)布局Ⅲ-1，Ⅲ-2，Ⅲ-3分別為97.6 ℃，112.3 ℃，131.4 ℃。布局Ⅲ-2的最高溫度比布局Ⅲ-1升高了15.1%，布局Ⅲ-3的最高溫度比布局Ⅲ-1升高了34.6%?？v向?qū)Ρ炔季症?、布局Ⅱ和布局Ⅲ，布局Ⅲ中芯片之間的距離對芯片溫度影響也要更顯著一點(diǎn)。

表3 布局Ⅱ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

表4 布局Ⅲ三種方式各芯片最高溫度 (℃)

綜合分析表2-4數(shù)據(jù)可知，布局Ⅰ-1和Ⅱ-1中各芯片溫度場分布較為理想。布局Ⅰ-1中除了芯片A溫度在90 ℃左右，其他芯片溫度基本不超過75 ℃；而布局Ⅱ-1中各芯片溫度分布更加均衡，五個芯片溫度基本都落在66-82 ℃之間。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，芯片布局盡可能參照布局Ⅰ-1和Ⅱ-1。如果僅從溫度場分布來說，相比布局Ⅰ和Ⅱ，布局Ⅲ也是最不利散熱的。因此在實(shí)際芯片布局時，應(yīng)避免采取這種布局。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過芯片布局的仿真數(shù)據(jù)分析可以獲得較優(yōu)的芯片布局方式，但結(jié)果顯示芯片的最高溫度依然較高，印制板的性能也還會受到影響，因而在結(jié)構(gòu)上還需采取改進(jìn)措施。

選取上文中比較理想的Ⅱ-1布局方式，在此結(jié)構(gòu)上作出如下改進(jìn)：

a) 在鋁制殼體上加導(dǎo)熱臺階；

b) 在導(dǎo)熱臺階與芯片之間增加彈性導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱系數(shù)為5 W/(m·K)，如圖2所示。

重新建立物理模型并導(dǎo)入ANSYS/workbench軟件中，加入與上文仿真相同的熱參數(shù)及熱邊界條件后進(jìn)行仿真，得到如圖3所示的溫度云圖。

分析圖3溫度云結(jié)果可知，印制板最高溫度為59.1 ℃，同樣發(fā)生在功耗最大的芯片A上。

但此時，熱量經(jīng)由導(dǎo)熱膠較好的傳遞到了鋁制殼體上，對比未加導(dǎo)熱膠的布局Ⅱ-1最高溫度81.3 ℃，改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)后溫度降幅達(dá)27%。此時鋁制殼體的最高溫度為50 ℃，很明顯，改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)后，鋁制殼體吸收了更多的熱量。

對于部分升溫較快的大功耗芯片，電路設(shè)計 師會關(guān)心加電1 min～2 min內(nèi)溫度的變化，后續(xù)將利用瞬態(tài)分析做進(jìn)一步的研究。

6 結(jié)束語

印制板加電時散熱問題是設(shè)計印制板結(jié)構(gòu)時必須考慮的因素，本文借助ANSYS/workbench熱仿真模塊，進(jìn)行主要發(fā)熱芯片布局研究以及結(jié)構(gòu)散熱的改進(jìn)。通過仿真數(shù)據(jù)的分析，得到了比較理想的芯片布局方式，新增散熱措施后散熱問題也得到了明顯改善，為后續(xù)多芯片復(fù)雜印制板電路設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。