特种三层线路板热可靠性分析方法的研究

王建兵 罗春雷 叶锦华

摘 要： 该文研究用ANSYS软件对电子线路板做热可靠性分析时的建模问题，通过仿真分析，得到如下两点推论：（1）铜箔分布的不均匀性对PCB传热有重要的引导作用，因此在建模时应尽量予以考虑；（2）内部到外部热阻小的发热元件可以当作简单方块来处理，这样就使整板的建模大大简化。根据以上推论对一种新型星载电子线路板进行了ANSYS建模和计算，验证了这种简化建模方法具有足够的准确性，使用方便。

关键词： 特种三层线路板；热分析；ANSYS建模

1引言

现代电子设备中广泛使用了PCB电子线路板。随着电子技术的发展，电路板上的布线密度越来越高，使得设备的体积功率密度大大增加，散热问题日益突出。根据故障率统计，高温是大多数电子元器件最严重的危害，它会直接导致元器件的失效，进而引起整个线路板的失效llJo因此，在设计、制造特种三层电子线路板时，必须进行热可靠性方面的分析和计算。

有限元分析软件ANSYS[2]在传热学分析方面具有强大的功能，非常适合分析各种热可靠性问题。将ANSYS软件应用于PCB热可靠性分析的主要难点就是如何对电子线路板进行合理的ANSYS建模，在保证分析精度的同时满足计算机的内存容量限制。

本文的工作，来源于对某型星载行波管用PCB线路板I驯所做的热可靠性分析工作。该设备为单块的PCB电路板，工作在封闭的高温真空容器（卫星）内热分析的目的，就是计算该电子设备中各元器件的温度，确认其在规定的工作條件下是否超过最高允许工作温度。由于该电子线路板的导线和元器件布置非常复杂，难以进行非常精确的建模。所以，必须对板上的各种元器件进行必要的简化，从而建立恰当的ANSYS计算模型。

2 电子线路板简化建模方法

该电子线路板的主要发热器件为9个MOS管和6块集成电路块，这些元器件在工作时将大部分损耗功率转化为热量。因此，建模时主要需要考虑这屿器件141。此外，还要考虑布置在PCB基板上，作为导线涂敷的铜箔[sJ。它们在设计中不但起到导电的作用，还起到传导热量的作用，其热导率和传热面积都比较大。

2.1 PCB基板的建模

印刷电路板16J（PCB）是电子电路不可缺少的组成部分，它既提供元器件之间的电气连接，又是元器件的支撑板。PCB板的结构由环氧树脂基板和作为导线涂敷的铜箔组成。

环氧树脂基板的厚度为4ram，铜箔的厚度为0.1mm。铜的导热率为aoow/（m'C），而环氧树脂的导热率仅为0.276W/（m'C）。

为了验证铜箔对PCB板传热的影响，用ANSYS进行了模拟实验，PCB的环氧树脂基板上放置了两个温度恒定的铜块，左边的铜块温度设置为80"C，而右边的铜块温度设置为20"C，PCB板的底部设置.20℃的恒温作为传导边界。铜块之间没有加铜箔，而两个铜块间加了厚度仅有0.1ram的细铜箔。可以看出，尽管所加的铜箔很薄很细，却对热量有强烈的引导作用，因而在建模中是不能忽略的。

2.2 MOS管器件的建模与分析

MOS管由铜外壳、小硅片和二者之间起绝缘作用的氧化铍陶瓷组成，热导率分别为400W/（m'C）、3.2 W/（m'C）、和80 W/（m*C）[71。小硅片在MOS管的内部，是主要的发热部分，测得的损耗功率为0.4W。首先，根据MOS管的结构图，对安放在基板上的单个MOS管建立了详细的ANSYS模型。然后，对小硅片加载0.4W的生热率载荷，并在室温32℃，自然空气对流和自由辐射状态下，计算MOS管的热分布状态。

MOS管在常温下工作的最高温度为74.5℃。而且，尽管MOS管是有复杂结构的空心体，但是内部和外表面的温度只有几度的差异。根据热传导分析，由于该MOS元件的体积很小，且主要的传热材料（铜和氧化铍）的传热性能都很好，所以器件内部到表面的热阻低，温差很小。因此，在实际建模中可以把MOS管设置为简单的实心体，只要与实际物体有相同的生热率、辐射和对流散热面积，就可以得到与详细模型相同的模拟结果。

为了验证前面的设想，本文进行了模拟实验：在一块PCB板上设置了两块MOS管模型，左边是按实际结构建立的复杂守心模型，右边则是同样外形的简单实心结构。在两个MOS块上施加同样的0.4W发热功率，通过热分布图来直观地比较两种不同建模方法的效果。模拟结果表明，不论是在常温下（32℃），还是高温工作环境下（60'c），这两种模型所得到的效果是基本相同的。

3实验验证

前面对电子线路板中与热分析有关的3种主要部件进行了简化建模处理，下面将这些简化模型组合起来，建立了PCB线路板的整体ANSYS模型，，就可以进行分析计算。首先进行室温下的模拟：以各电子元器件的损耗功率作为热分析的生热率载荷，PCB线路板表面施加32℃的卒气自然对流，作为辐射边界的环境温度为室温（32℃）计算得到热场分布。

在本文的实际工作中，使用红外热像仪对该电子线路板在常温空气环境下的工作温度进行了测量18J，一些测试点上温度的计算值与实际测量值对比。

4结束语

根据前面的分析，在对特种三层电子线路板做热可靠性分析时，在建模方面可以做出很大的简化。而简化的前提条件是：对于所要简化的发热器件，从内部的发热部分到外部表面的热阻应当非常小。只有这样，才能把具有复杂内部结构的电子元件当作简单方块来建模处理。采用简化建模方法对PCB电路板进行ANSYS热分析，能大大减少计算机对内存的需求，而且计算时间也显著缩短。实验表明，该方法具有足够的准确性，而且使用非常方便，能够很好地完成对复杂电子线路板进行热可靠分析的工作。