有限元分析导热层厚度对印制电路散热性能影响

　　随着电子信息产品高性能、多用途及精密小型化的快速发展，电子元器件也相应地向着轻、薄、短、小型化发展，元器件体积的减小导致单位体积的热流密度急剧提升，器件的发热升温导致产品可靠性变差。研究表明刚，电子产品产生热量的5070是通过印制电路板传导导出的，因此具有良好散热性能的印制电路板对产品可靠性的影响十分重要。

　　在印制电路板中嵌入导热层可以有效增加PCB的导热性能、增加产品的可靠性，由于金属铝具有低密度、高导热的特点，其成为构建导热层的常用材料。然而如何在PCB板制造之前，根据板上各个器件的发热性能选取合适的板材从而避免板材选取错误而导致的不必要浪费成为业界所关注的问题。本文使用有限元方法研究元器件在不同板材上的热过ffi，获得了元器件稳定工作时PCB板上的溢度分布，为印制屯路板制造过程中板材的选杼提供理论上的指导。

　　1有限元热分析理论1.1热传导热传是指两个相互接触的物体或间一物埋的各部分之间由7‘媪度不同而引起的热传递现象。热传导屮热M的宏观传递规律符合傅迅叶定律：。cit：k为材料的导热为法向温度梯度（K/m）；负兮表示热M传递方N与温度升岛方向相反。

　　1.2热对流热对流是指赀体的表向与它周接触的流体之间。由丁差的在而引起的热M交换。热对流4以用牛顿冷却方程描述：式屮：（为对流交换的热黾：为对流换热系数（W/m2.IO. A为与流体接触的物体表面枳（m2）：DT为物体表面与周m流体的温差（K）。

　　目前大部分的PCB设计都采用被动方式设汁，所以PCB与空气之间的热对流过程rh然对流过程，即是由于冷热流体密度不同引起的流动1.3等效导热系数理论PCBHf热传导各向异性的片状足抢结构，从热分析仿真的角度，PCB足一种作正交导热系数的M料，详细地建模难度很大。前件遍的方法是根据铜线厚度和铜的m盖率生成一种具有各向异性的均一导热系数的材料来模拟PCB.不计。Al、A2和A3的相关参数如农所不。

　　含主要功率元器件的PCB实体模型图设计所用PCB萆板为普通双面箝铜箔层玉板，其等效导热系数为16.3W/mA，id为板；板2为在板的内部嵌入了50Mm的铝基导热层。铝的导热系数为237W/mK，根据公式（3）计算出板2的等效导热系数为26.8W/otK：板3和板4是在板I的内部分嵌入'100Mm和150pm的铝基导热层，同理n计算出其等效热系数分别为36.4W/nvK和为热能，生热率（Thcrmal-HcatGenerae，。IGEN）的计算公式如卜其屮P为器件的热功耗。V为器件体积。通过公式（4>，汁箅出Al、A2和A3的生热率分为（2.5X为楮确模拟PCB的散热过程，本文选用ANSYS热分析中的SOL1D87节点叫面体单元141对PCB实体模型进行3D网格划分、违立投钯，网格模型如阁2所示。从网格模型图川‘以罚出元器件与PCB板交接的位R及其附近单元比较密m，印制电路板其余部分网格比较稀疏，这是由+元器件正常工作时产生的热ft集屮丁-元器件与印制屯路板交接的位置及元器件附近，所以划分的W格比较多，而PCB板其余部分的溢度梯度相对较小，所以网格也比较少。2有限元分析模型的建立三个主要的发热元器件AKA2、A3如阁1所示，由于板卜。芄他元器件功率较小如小的电附电荇等，对PCB板温度影响很小，故在仿真的过程屮可以忽略3有限元仿真PCB温度场分析将生热率载荷施加在对应的元器件上，设置元器件工作时室温为20°C，由于影响对流换热系数h的取值因素很多，其不仅与流体的密度、比热容相关，还与换热面的形状与位置有关，为了分析方便，本文假定边界面空气流体分布均匀、流速稳定，在了空气中自然对流情况下的对流换热系数常见值后，确定其值为50W/m2.K.通过对模型进行有限元稳态热分析，分别得到了元器件稳定工作时板1、板2、板3和板4的温度场分布图，如~所示。

　　从可以看出，PCB板高温区相对集中在元器件的封装位置及其附近，而PCB板其余部分的温度较低，如果高温区的热量不能及时传递到低温区，随着高温区热量的累积，元器件就会有失效的风险。如和所示，没有嵌入导热层的PCB板上元器件A1的工作温度高达96°C，而在嵌入了50pm的铝基导热层后，A1的工作温度为80°C，相对于板1降低了16C，可见即使嵌入的导热层厚度很小，它对元器件工作温度的降低也有着很大的影响。

　　由可知，随着导热层厚度的不断增加，A1、A2和A3的核心温度都有了不同程度的降低，其中高温差高达28C.有研究表明，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。根据10C法则可知，本文中板4的失效率仅为板1失效率的八分之一，其产品的可靠性是板1可靠性的8倍以上。由此可以看出导热层的嵌入有效的降低了元器件的失效率，增加了产品的可靠性。

　　从~还可以看出，随着导热层厚度的增加，PCB板低温区的温度有所上升，这是因为导热层的厚度直接影响着PCB板的等效导热系数的值，导热层厚度增加，等效导热系数的值也就相应的增加，即PCB板的导热性能也会有所提高，故而高温区所产生的热量会更容易传递到低温区，所以才会出现上述PCB板低温区温度有所上升的情况。如和所示，板1的低温区低温度为21.899C，板4的低温区低温度为25.747C，低温区的温度上升了将近4C，但是板4上元器件的核心工作温度却降低了近30C，而且低温区通常没有功率元器件封装，所以其温度的略微上升对整个PCB板可靠性的影响很小。低温区温度的略微上升使整个PCB表面温度梯度变小，整板的温度分布相对而言得以更加均匀，这可以有效降低表面线路由于局部温差过大而产生热应力终导致产品失效的风险。

　　通过对元器件A1、A2和A3正常工作时核心温度的分析可知，由于A1的热功耗大于A3的热功耗，且A1的导热系数又小于A3的导热系数，故而A1的核心工作温度要高于A3的核心工作温度。同理可知A2的核心工作温度大于A3的核心工作温度。由于A1的热功耗大于A2的热功耗，而A1的导热系数大于A2的导热系数，所以A1和A2的核心工作温度没有明显的差别，这与一般认为的热功耗越大，温度越高的认识不一致，这是因为A2的导热系数太低，产生的热量不能及时传递到基板上，导致A2内部热量越积越多，故温度相对较高。

　　元器件A1的核心工作温度与导热层厚度的关系曲线如所示。由可以看出，随着导热层厚度的增加，A1的工作温度随之减小，但是减小的幅度却是随着厚度的增加而减小的，即斜率逐渐变小，这是因为元器件在PCB板上的散热过程不是简单的一次函数过程，根据传热学和数学物理方程的有关知识可知该过程的数学模型是一个复杂的二阶偏微分方程，直接求解的难度很大，而这也正是本文中采取有限元分析仿真的原因。

　　4实验结论本文通过有限元方法分析仿真了元器件正常工作时PCB板的散热过程，获得了嵌入不同厚度导热层的PCB温度场分布图，对获得的分布图进行了总结，得到了如下结论。

　　PCB板的高温区集中在元器件的封装位置及附近；在PCB板内嵌入铝基导热层可以有效增加PCB的导热性能，降低元器件稳定工作时的工作温度，从而提高电子产品的可靠性；导热层厚度越大，PCB板的导热性能越好，板上封装的元器件稳定工作温度越低，电子产品的失效率越低；随着导热层厚度的增加，PCB板表面温度梯度变小，整板温度场分布较普通基板更加均匀，即元器件封装区域温度显著降低，板面无功率器件区域温度略微升高，这可以有效降低表面线路由于局部温差过大而产生热应力终导致产品失效的风险。

　　元器件在PCB板上的散热模型是一个复杂的二阶偏微分数学物理方程，很难直接求解，通过有限元分析可以获得PCB板的温度场分布，根据仿真得到的温度场分布图可以有效的避免因为基板选取不当而引起的产品可靠性降低的问题，对PCB的设计制造有着实际的指导意义。EH！