摘要：結(jié)合某電子線路板實(shí)際情況，在Flotherm軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行建模與計(jì)算處理，并將所得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證實(shí)采取Flotherm軟件方式進(jìn)行電子線路板熱可靠性分析具有建模簡單、可操作性強(qiáng)及準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)。

0 引言

本文提出的Flotherm軟件在分析傳熱學(xué)方面起著巨大作用，尤其適用于電子線路板熱可靠性的分析與判斷。其在電子線路板熱可靠性分析中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于如何構(gòu)建合理、有效的Flotherm模型，以期在確保精確度的同時(shí)，符合計(jì)算機(jī)內(nèi)存的容量需求。以PCB線路板為例，使用Flotherm 軟件進(jìn)行熱可靠性分析，可通過獲取熱分析結(jié)果，精確計(jì)算電子設(shè)備中各個(gè)元器件作業(yè)的溫度，再與允許的工作溫度進(jìn)行對(duì)比，據(jù)此判斷其是否處于超高溫的運(yùn)行狀態(tài)。但電子線路板中導(dǎo)線與元器件的布局非常復(fù)雜，若想獲得精確的建模并不是簡單的事，那么就需要對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行一定簡化，進(jìn)而保障構(gòu)建正確的計(jì)算模型。

1 電子線路板熱可靠性分析的建模

本文分析的電子線路板中，由9個(gè)MOS管及6塊集成電路塊構(gòu)成主要發(fā)熱器，當(dāng)元器件處于工作狀態(tài)時(shí)，大部分的損耗功率就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚敲丛诮＿^程中就必須充分考慮元器件的簡化問題；對(duì)于作為導(dǎo)線敷設(shè)的銅箔來說，其布置到PCB基板中，在設(shè)計(jì)時(shí)既可發(fā)揮導(dǎo)電的作用，也可傳導(dǎo)部分熱量，且熱導(dǎo)率與傳熱面積相對(duì)較大。

1.1 PCB基板建模的方法

PCB基板是電子電路不可缺少的組成部分，它既提供元器件之間的電氣連接，又是元器件的支撐板。PCB板主要包括作為導(dǎo)線涂敷的銅箔、環(huán)氧樹脂基板等，其中銅箔的厚度約為0.1mm,環(huán)氧樹脂基板的厚度約為4mm.為了證明使用銅箔會(huì)對(duì)PCB板傳熱造成影響，利用Flotherm軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

在PCB的環(huán)氧樹脂基板中放置2個(gè)恒定溫度狀態(tài)下的銅塊，其中左邊銅塊的溫度約80℃，右邊銅塊的溫度約20℃，同時(shí)在PCB板的底部位置設(shè)計(jì)20 ℃ 的恒溫，以此作為傳導(dǎo)的邊界。對(duì)比添加銅箔和未添加銅箔的情況，發(fā)現(xiàn)盡管所加的銅箔很薄很細(xì)，卻對(duì)熱量有強(qiáng)烈的引導(dǎo)作用，那么在建模過程中這一要素不可忽略。

1.2 MOS管器件建模的方法

MOS管器件主要包括硅片、底部銅合金散熱片、環(huán)氧樹脂殼體等，其熱導(dǎo)率分別為117.5W/（m·℃）、301.5W/（m·℃）及0.82W/（m·℃）。在MOS管內(nèi)部，硅片是非常重要的發(fā)熱部分，其功率約1W;對(duì)MOS管進(jìn)行建模，主要應(yīng)考慮如下問題：

（1）初級(jí)精度的仿真建模。假設(shè)MOS管為一個(gè)簡單的實(shí)心體，結(jié)合其實(shí)際情況設(shè)置物理參數(shù)。（2）結(jié)合MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)建Flotherm 軟件模型；當(dāng)處于室溫（20 ℃）及高溫（60℃）的自然對(duì)流條件下，需要對(duì)MOS管的熱分布狀態(tài)進(jìn)行分別計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論處于室溫（20℃）環(huán)境還是高溫（60℃）環(huán)境，通過模型計(jì)算的結(jié)果基本一致；雖然MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但是內(nèi)部與外表面的溫度差異極??；結(jié)合熱傳導(dǎo)效應(yīng)分析，由于MOS管的體積相對(duì)較小，同時(shí)其主要材料具備良好的傳熱性能，因此從元器件的內(nèi)部直到表面的熱阻較低，溫差也相對(duì)較小。那么在實(shí)際構(gòu)建模型過程中，可以直接將MOS管假設(shè)為簡單的實(shí)心體，只要與實(shí)際物體有相同的生熱率、輻射和對(duì)流散熱面積，就可以得到與詳細(xì)模型相同的模擬結(jié)果。

為了驗(yàn)證這一猜想過程的合理性，也可進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)：在同一塊PCB板中放置2塊MOS管模型，一邊按照實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)建了復(fù)雜的空心模型，另一邊按照同樣的外形簡化了實(shí)心體結(jié)構(gòu)；在2個(gè)MOS塊上同樣施加0.4W 的發(fā)熱功率，比較2種不同建模方法的效果。結(jié)果表明，2 種模型獲得的效果基本一致。

1.3 集成電路塊建模的方法

首先，按照集成電路塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將相對(duì)較小的發(fā)熱硅體圍繞在氧化鋁陶瓷的外殼中，該陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)是21.通過引腳與底板連接整個(gè)元件，引腳的厚度約0.1mm.

為了能夠?qū)⒛Ｐ秃喕?，遵循“同熱?dǎo)率”的原則，將原本分立的引腳合并。實(shí)驗(yàn)表明，盡管對(duì)集成電路塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的建模，但是元器件內(nèi)部與表面的溫差相對(duì)較小。因此，采用與前面MOS管相同的分析方法，可以證明集成電路塊的建模也可以用簡單的方塊來代替。

以上分析證明：在PCB電路板中，MOS管與集成電路塊都可通過簡化的方式建模，不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響。

2 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

完成對(duì)電子線路板中與熱分析相關(guān)的元器件簡化建模之后，需要將各部分的簡化模型組合起來，構(gòu)建一個(gè)完整的PCB線路板Flotherm模型，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析：首先，在室溫條件下進(jìn)行模擬。以各電子元器件的損耗功率作為熱分析的生熱率載荷，PCB線路板表面施加20℃的空氣自然對(duì)流，作為輻射邊界的環(huán)境溫度為室溫（20℃），計(jì)算熱分布狀況。

結(jié)合實(shí)際工作應(yīng)用來看，可以利用紅外熱像儀設(shè)備測(cè)量電子線路板在常溫下的工作溫度，將測(cè)試點(diǎn)位置的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行比較。由于在該模型中進(jìn)行了一系列的簡化處理，因此計(jì)算值的誤差可以控制在一定范圍內(nèi)。從表1來看，利用Flotherm軟件計(jì)算溫度分布狀況，與實(shí)測(cè)值的結(jié)果基本相符，可見簡化建模的方法方便、可行。

前面的實(shí)驗(yàn)是在室溫環(huán)境下進(jìn)行的，但是在實(shí)際工作中PCB電路板所處環(huán)境可能有差別，因此就不能用以上的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量溫度場(chǎng)分布狀況。那么根據(jù)簡化建模的思想，也可利用軟件來模擬電子線路板在真空環(huán)境中的溫度場(chǎng)分布。例如，將散熱片安裝到PCB線路板的頂端，此時(shí)PCB基板和散熱片底板連接，同時(shí)接入了60℃的冷卻空調(diào)。在模型計(jì)算中，分別在基板與散熱片的底部設(shè)置傳熱邊界條件。根據(jù)最終的結(jié)果來看，在冷卻空調(diào)正常工作的條件下，器件最高溫度僅略高于空調(diào)溫度，滿足安全工作范圍；相反，如果模擬冷卻空調(diào)失效的狀態(tài)，僅依靠輻射方式來散熱，那么MOS管的最高溫度將超過安全工作范圍。

3 結(jié)語

在對(duì)PCB電子線路板作熱可靠性分析時(shí)，在建模方面可以進(jìn)行很大簡化，這樣更利于建模操作。針對(duì)需要簡化的發(fā)熱元器件，由于從內(nèi)部直到外部表面的熱阻相對(duì)較小，將原本結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子元件作為簡單模塊來處理，使用Flotherm 軟件對(duì)PCB電子線路板進(jìn)行熱分析，可降低計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)存的要求，同時(shí)提高了計(jì)算效率和精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有良好的科學(xué)性、合理性、可操作性，并且便于使用，能夠很好地完成對(duì)復(fù)雜電子線路板的熱可靠性分析工作，具有廣泛的應(yīng)用空間及應(yīng)用價(jià)值。