基于有限元分析的PCB散熱性能研究

冀林仙，馬鈺凱

(運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000)

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)上搭載的電子元器件朝著高密度化、高功耗化、微型化方向發(fā)展。電子元器件的高功耗導(dǎo)致了PCB熱流密度增加，相應(yīng)的電子產(chǎn)品工作的環(huán)境溫度也發(fā)生了極大變化[1]。PCB與集成電路(Integrated Circuit，IC)之間存在多種材料，不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，使得材料界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成芯片故障。此時(shí)，芯片在更高的溫度下工作會(huì)增加其內(nèi)阻，導(dǎo)致信號(hào)延時(shí)傳輸，降低工作效率[2]。因此，對(duì)PCB進(jìn)行熱設(shè)計(jì)與熱分析，及時(shí)將芯片產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)酵饨缡翘岣弋a(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。目前，解決PCB散熱有多種設(shè)計(jì)方案，如增加散熱器、采用高導(dǎo)熱材料作基板、采用金屬基板、嵌入銅塊、設(shè)計(jì)密集散熱孔等[3-6]。采用實(shí)驗(yàn)方法研究PCB散熱，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)周期長，成本高[7]。鑒于此，針對(duì)集成芯片的PCB散熱問題，本文借助Solidworks構(gòu)建模型，討論對(duì)流方式對(duì)PCB表面溫度的影響，分析PCB表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究導(dǎo)熱層對(duì)PCB散熱的影響，為PCB熱設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1. PCB散熱模型

PCB散熱模型如圖1所示。PCB材料為FR4，PCB為直徑70 mm，厚度5 mm的圓柱體，PCB上芯片材料為Si，尺寸為30 mm×30 mm×3 mm的長方體。芯片與PCB之間通過導(dǎo)熱膠粘合在一起，膠層厚度為25 μm。

圖1 PCB散熱仿真模型

熱傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種方式。由于PCB的表面輻射系數(shù)很小,熱輻射傳熱不到總熱量的1%，所以芯片的散熱主要通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，數(shù)值模擬時(shí)忽略熱輻射。

熱傳導(dǎo)遵從傅里葉定律，表達(dá)式為：

(1)

熱對(duì)流服從牛頓散熱公式：

Φ=hX△t

(2)

式中h為熱對(duì)流常數(shù)，單位為W/(m2·K)，X為表面積，Δt為流體與物體表面的溫差。

PCB散熱仿真主要參數(shù)列舉于表1。

表1 PCB散熱仿真主要參數(shù)

2. 結(jié)果與分析

2.1 自然對(duì)流下PCB表面熱分布

2.1.1 穩(wěn)態(tài)熱分布

PCB穩(wěn)態(tài)熱分布是在自然對(duì)流條件下，芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)給PCB，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，熱流量達(dá)到平衡且溫度場(chǎng)穩(wěn)定的過程。PCB穩(wěn)態(tài)熱仿真設(shè)定總環(huán)境溫度為25 ℃。當(dāng)芯片發(fā)熱功率P為1 W、5 W、10 W、15 W、20 W、25 W時(shí)，PCB表面溫度隨P的變化曲線如圖2所示。Tmax為PCB表面最高溫度。Tmin為PCB表面最低溫度。

圖2 PCB表面溫度隨芯片發(fā)熱功率的變化

由圖2可知，PCB表面最高溫度、最低溫度與芯片的發(fā)熱功率成正比，滿足表達(dá)式：

Tmax=8.517P+24.85

(3)

Tmin=0.024P+24.85

(4)

隨著芯片發(fā)熱功率的增大，PCB上各部分的溫度增加。芯片發(fā)熱功率越大，產(chǎn)生的熱量越多，熱量通過熱傳導(dǎo)方式在芯片與PCB上延伸，更多的熱量堆積于芯片與PCB相接觸的界面，導(dǎo)致此處溫度更高[8]。因此，PCB表面溫度隨著芯片的發(fā)熱功率的增加而不斷增大。隨著電子芯片尺寸的微型化，芯片呈現(xiàn)出越來越高的熱流密度，芯片溫度的控制與熱量的散發(fā)至關(guān)重要。對(duì)于穩(wěn)定持續(xù)工作的電子芯片，芯片結(jié)溫不能超過所允許的120 ℃最大極限值。溫度過高，會(huì)造成芯片損壞[9]。數(shù)值模擬結(jié)果表明，芯片的發(fā)熱功率在25 W時(shí)，PCB表面最高溫度達(dá)到237.774 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過芯片結(jié)溫極限值，因此需要采取措施改善PCB散熱性能，如安裝外部散熱裝置。

2.1.2 瞬態(tài)熱分布

PCB穩(wěn)態(tài)熱力分析表明，芯片在運(yùn)行一段時(shí)間后，熱流量會(huì)變得穩(wěn)定，溫度場(chǎng)會(huì)達(dá)到平衡。為了深入了解PCB表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，選取芯片發(fā)熱功率25 W時(shí)，PCB表面最高溫點(diǎn)A進(jìn)行研究，獲得了1000 s內(nèi)A點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，自然對(duì)流作用下，芯片發(fā)熱引起PCB表面點(diǎn)A的溫度隨時(shí)間快速上升，在180 s時(shí)，A點(diǎn)溫度達(dá)到200 ℃。之后則緩慢增長，在400 s之后接近穩(wěn)態(tài)分析測(cè)定的溫度。PCB表面溫度先快后慢的變化趨勢(shì)表明，PCB散熱研究需要及時(shí)檢測(cè)芯片工作初期PCB表面溫度上升時(shí)間范圍。因此，在溫度快速增加初期及時(shí)將熱量傳輸?shù)酵饨?，保證芯片在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，PCB表面溫度更早趨于穩(wěn)定。

2.2 強(qiáng)制對(duì)流下PCB表面熱分布

2.2.1 穩(wěn)態(tài)熱分布

在電子產(chǎn)品中增加散熱器，引起強(qiáng)制對(duì)流，有利于降低PCB表面溫度，提高PCB散熱性能[10]。芯片發(fā)熱功率為25 W，對(duì)流系數(shù)α分別為35、45、55、65 W/(m2·K)，PCB表面溫度隨對(duì)流系數(shù)的變化如圖4所示。

根據(jù)圖4曲線，PCB表面最高溫度Tmax、最低溫度Tmin與對(duì)流系數(shù)α滿足關(guān)系式：

(5)

Tmin=24.85+4×0.84α

(6)

從圖4可以看出，隨著強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)的增加，PCB表面溫度降低，Tmax值變化較快，而Tmin變化較小。強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)從35 W/(m2·K)增加到65 W/(m2·K)，Tmin變化量為0.05℃。最低溫度變化率隨著強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)的增加不斷趨于0。這一現(xiàn)象表明，通過強(qiáng)制對(duì)流，增加空氣對(duì)流系數(shù)可以降低PCB表面溫度，但不能無限制降低。空氣對(duì)流系數(shù)達(dá)到一定值后，熱傳輸能力會(huì)達(dá)到極限，溫度降低緩慢，此時(shí)需要采取其他措施來提高PCB散熱性能。

圖4 PCB表面溫度隨對(duì)流系數(shù)的變化

2.2.2 瞬態(tài)熱分布

為了深入了解PCB表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，選取空氣強(qiáng)制對(duì)流系數(shù)為35 W/(m2·K)、芯片功率為25 W時(shí)，PCB表面最高溫點(diǎn)B進(jìn)行研究，獲得了1000 s內(nèi)B點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，PCB表面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律與自然對(duì)流下的變化規(guī)律相似。隨著芯片工作時(shí)間的延長，PCB表面溫度快速升高，溫度增長率先快后慢，200 s后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。與自然對(duì)流下A點(diǎn)溫度相比較，強(qiáng)制對(duì)流條件下，PCB表面溫度更早趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度為189.096 ℃，比自然對(duì)流下穩(wěn)定溫度降低了48.7 ℃。芯片工作時(shí)，通過熱傳導(dǎo)的方式，將熱量傳輸給PCB，再依靠空氣流動(dòng)進(jìn)行對(duì)流散熱。對(duì)流系數(shù)越大，空氣流動(dòng)速度越快。熱交換加快有利于降低PCB表面溫度，形成更低的穩(wěn)定溫度，保護(hù)芯片與PCB。因此，PCB熱設(shè)計(jì)可以通過強(qiáng)制對(duì)流，增加對(duì)流系數(shù)的方式改善PCB散熱性能。

圖5 強(qiáng)制對(duì)流條件下，B點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

2.3 嵌入導(dǎo)熱層的PCB散熱性能

目前，PCB板材以覆銅環(huán)氧樹脂玻璃布基材或酚醛樹脂玻璃布基材為主，這類基材雖然具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性較差，要提高PCB散熱性能，除了采用強(qiáng)制對(duì)流方式外，也可以在PCB中嵌入導(dǎo)熱層，提高熱量傳輸速率[11,12]。作為導(dǎo)熱層的材料可以是金屬、非金屬或金屬-非金屬相結(jié)合。不同材料的導(dǎo)熱層嵌入到PCB中，理論上講，嵌入的導(dǎo)熱材料尺寸越大，散熱性能越好。選取和PCB尺寸一致，厚度為1 mm的導(dǎo)熱層嵌入PCB中間位置，芯片發(fā)熱功率為25 W，自然對(duì)流作用下，PCB表面溫度分布列舉于表2。

表2 嵌入導(dǎo)熱層，PCB表面溫度

由表2可知，加入導(dǎo)熱層后，PCB表面溫度比未加導(dǎo)熱層時(shí)溫度更低，散熱效果能力大小順序?yàn)槭?金剛石-石墨烯結(jié)合>鋁-石墨烯結(jié)合>金剛石>銅>銅-鋁結(jié)合>鋁。非金屬石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)為5300 W/(m·K)，金剛石導(dǎo)熱系數(shù)為2000 W/(m·K)，銅導(dǎo)熱系數(shù)為390 W/(m·K)，鋁導(dǎo)熱系數(shù)為200 W/(m·K)。金屬導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，吸熱能力越強(qiáng)，散熱效果越好。但非金屬材料做導(dǎo)熱層，工藝成本較高，基于成本控制，導(dǎo)熱層可以選用金屬與非金屬結(jié)合材料。芯片散發(fā)的熱量先傳輸給導(dǎo)熱系數(shù)大的非金屬，再傳輸給導(dǎo)熱系數(shù)小的金屬，由金屬傳遞到空氣中。因此，嵌入金屬-非金屬導(dǎo)熱層是提高PCB散熱性能的良好手段，PCB熱設(shè)計(jì)需要選擇合適的材料來提高熱量傳輸速率，降低表面溫度。

3. 結(jié)論

本文借助Solidworks構(gòu)建了PCB散熱模型，分析了芯片在不同功率工作時(shí)，自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流作用下，PCB表面的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)溫度分布。結(jié)果表明，隨著芯片工作時(shí)間的延長，PCB表面溫度升高，但溫度增長率隨著時(shí)間的增加而不斷減小。強(qiáng)制對(duì)流作用下比自然對(duì)流作用下，PCB表面溫度會(huì)更早趨于穩(wěn)定，而且，加大對(duì)流系數(shù)有助于提高PCB散熱性能。PCB熱設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用嵌入導(dǎo)熱層的方式提高PCB散熱性能。綜合制造工藝與成本考慮，金屬-非金屬相結(jié)合的材料作為導(dǎo)熱層，是提高PCB散熱性能較好的選擇，這些結(jié)論對(duì)PCB熱設(shè)計(jì)與熱研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。