Análisis de fiabilidad térmica de componentes clave en PCB

1. El calor en la PCB se debe principalmente a componentes de consumo de energía como transformadores, transistores de alta potencia y resistencias de alta potencia. Su consumo de energía se irradia principalmente al medio circundante en forma de conducción de calor, convección y radiación, y solo una pequeña parte se emite como ondas electromagnéticas. Por lo tanto, para mejorar la estabilidad y confiabilidad de los componentes electrónicos de PCB, es necesario comprender claramente el consumo de energía de los componentes clave en la PCB y la distribución del campo de temperatura en la placa para lograr un diseño razonable.

 

En el caso de la simulación térmica, el método de elementos finitos o de diferencias finitas se usa generalmente para deshacer el calor y las ecuaciones de flujo de fluidos. Este trabajo utiliza el análisis de elementos finitos. Los elementos finitos son más precisos para resolver geometrías complejas, lo que le permite cifrar mallas en algunas áreas. Por ejemplo, si una parte de la placa o sistema es más interesante que otras partes, puede cifrar la malla en estas áreas, mientras que otras redes de área son dispersas. Sin embargo, el cifrado de malla no puede saltar directamente de una densidad a otra, y solo lo encripta gradualmente.

 

2. Principio básico de transferencia de calor y proceso de simulación térmica de elementos finitos ANSYS

2.1 conducción de calor

Ley de Fourier (también conocida como la ley básica de la conducción de calor): (1)

Donde: Q es la cantidad de transferencia de calor en el tiempo t, K es la conductividad térmica, T es la temperatura, A es el área del plano y T es la distancia entre los dos planos.

 

2.2 Convección de calor superficial.

Cuando el área de la superficie es A, cuando se transfiere el calor Q, cuando la diferencia de temperatura entre la superficie y el ambiente es Tw-Tf

Q = hA (Tw-Tf) (2)

h es el coeficiente de transferencia de calor por convección superficial. El coeficiente de transferencia de calor por convección se puede calcular con esta fórmula. En este documento, el coeficiente de transferencia de calor por convección natural se calcula principalmente mediante esta fórmula. Aquí se puede ignorar la radiación de calor de la placa PCB, por lo que se ignora.

 

Al mismo tiempo, vale la pena mencionar la tasa de generación de calor de los componentes de consumo de energía en la PCB. La potencia disipada por el chip de potencia se expresa en ANSYS por la tasa de generación de calor HGEN. La fórmula de cálculo es la siguiente:

Donde: P es el consumo de energía y V es el volumen del componente

2.3 Proceso de simulación térmica de elementos finitos ANSYS.

Este documento crea modelos geométricos con el software ANSYS y crea modelos sólidos con métodos ascendentes y descendentes. En el proceso de creación de un modelo sólido, debido a la compleja estructura de los componentes electrónicos, para facilitar la malla y la precisión de los resultados, se puede simplificar el modelo sólido y la unidad SOLID87 de 10 nodos adecuada para la unidad de forma irregular. Se selecciona la división.

 

3, campo de temperatura de solución de elemento finito

3.1 Análisis de ejemplo de campo de temperatura bidimensional

 

Diseño 1: Chip1, Chip2 lado a lado, Chip3 junto al lado Chip1.

La temperatura máxima es de 101.5 ° C y la temperatura más baja es de 92.7 ° C.

 

Diseño 2: Chip1, Chip2 uno al lado del otro, Chip3 en el otro lado de la PCB. La temperatura máxima es de 90 ° C y la temperatura máxima es de 70.7 ° C.

 

3.2 Análisis comparativo

1. Comparando los resultados del análisis de los dos campos de temperatura simulados finales, se puede encontrar claramente que la temperatura máxima y la temperatura mínima de la distribución 2 se reducen considerablemente (alrededor de 10 ∽ 20 ° C), y este valor es muy impresionante para La fiabilidad térmica de los electrones. de. Por ejemplo, las estadísticas muestran que por cada reducción de 1 ° C en los equipos electrónicos de aviación civil, su tasa de fallos se reducirá en un 4%. Se puede ver que el control del aumento de temperatura (diseño térmico) es un tema muy importante. De este modo se mejora la fiabilidad del dispositivo.

 

2. Los dos mapas de distribución del campo de temperatura reflejan el mismo problema: cuando los componentes están distribuidos densamente, la distribución del campo de temperatura es irregular, y la zona de alta temperatura y la zona de baja temperatura no se pueden determinar. Por lo tanto, en el diseño de la placa PCB, debe prestar mucha atención al área de componentes con limitaciones de energía, donde no debe liberar los componentes sensibles al calor tanto como sea posible.

 

3. El coeficiente de transferencia de calor por convección en el análisis de elementos finitos es diferente para los diferentes valores de los componentes, y si solo se usa el resultado de la medición puntual para calcular el valor de h es pequeño, se deben hacer algunas correcciones. El gran valor de consumo de energía h se llama ligeramente mayor. , luego compare el cálculo con los resultados de la medición, y ajuste constantemente el valor h hasta que sea básicamente consistente.

 

4. En las diferentes distribuciones de campo de temperatura, aunque los colores mostrados son los mismos, los valores de temperatura indicados por el mismo color son diferentes, y se utilizan para indicar la tendencia de la zona de alta temperatura a la zona de baja temperatura.

 

5. Las condiciones de frontera también son importantes, y las condiciones de frontera dadas durante el modelado deben ser correctas.

3.3 Análisis de ejemplo de campo de temperatura tridimensional

Hay tres chips en la PCB, y el diseño y todos los parámetros son los mismos que 2.

4. Conclusión y análisis.

1. Desde la superficie, los resultados de la simulación del campo de temperatura tridimensional no son tan buenos como el ideal bidimensional. Actualmente, este no es el caso. La temperatura más alta indicada en la simulación tridimensional es la posición del chip del componente donde la temperatura es en realidad más alta que la temperatura de la superficie del componente. Por lo tanto, los resultados de simulación del diseño 2 son razonables.

 

2. El modelo 3D es más complicado. Para simular la precisión de los resultados, el material del chip se puede ver como compuesto de tres capas diferentes de material para simplificar el modelo.

 

3. El establecimiento del modelo 3D y el procesamiento de los resultados requieren mucha energía y tiempo, y los requisitos de material y estructura son más detallados y específicos que los 2D. Si bien la simulación 3D puede obtener más información, 2D también puede obtener la distribución aproximada del campo de temperatura rápidamente. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, estos dos métodos pueden seleccionarse de acuerdo con la situación real.