基于TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨

基于 TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨毕锦栋,张三娣,郑丽香(工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610)摘要:简要地介绍了电子产品热分析、热设计的重要性及其方法的发展。重点介绍基于 TASPCB环境下的电子元器件热模型的建立方法和电子元器件热功耗评估技术,并给出典型PCB热设计的实例,提出电子产品PCB设计的热设计优化措施关键词:印刷电路板;热模型;热功耗;热设计中图分类号:TN41文献标识码:A文章编号:1672-5468(2009)04-0042-07Study on the taSPCB-based Thermal analysis andThermal Design of PCBsBI Jin-dong, ZHANG San-di, ZHENG Li-xiang( CEPREI, Guangzhou 510610, China)Abstract: In this paper, the importance and advances of thermal analysis and thermal design ofelectronics were generally introduced. The thermal modeling and dissipation evaluation of electronicomponents based on TASPCB environment were presented in detail. A typical example for PCBthermal design was given, and the measures for optimizing the thermal design of PCBs wereKey words: PCB; thermal model1引言要求的电子产品的结构设计中,必须进行热设计可以说热设计是电子产品设计中不可忽略的一个环随着电子产品的体积越来越小而功能却越来越节。强大,电子元器件的封装密度也在不断地提高,其20%振动热流密度相应地不断增大;同时电子产品已经渗透55%温度到各个领域,其应用环境不断丰富,所使用的热环6%粉尘境差异很大。这些发展趋势使得电子产品的过热问题越来越突出。据美冈空军航空电子整体研究项目机构公布,过热是电子产品发生故障的主要原因之19%潮湿如图1所示。在这些应用中,如何更加有效地进行热管理的图1电子产品故障的主要原因需求问题就变得越来越重要。在对工作温度有较高(资杆来源:美国空军航空电子整体研究项目)收稿日期:200904-20修回日期:2009-07-08作者简介:毕锦栋(1982-),男,广东广州人,工业和信息化部电子第五H中国煤化工CNMHG主从事电子元件可靠性及其信息技术研究工作。DMANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANING SH/YAN第4期毕锦栋等:基于 TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨解决电子产品过热问题,提高产品可靠性的相他们正在逐渐转向采用热建模软件来仿真其产品的关技术被称为电子产品热技术。它主要包括:热分热性能,从而在构建原型之前就能解决与热管理相析、热设计及热测试三大技术。这三大技术的集成关的设计问题,快速地获取优化的设计方案,实现以及在电子产品开发中的并行应用,可以极大地缩真正的散热与电路设计、结构设计协同。短产品开发周期,提高产品开发设计的经济性,保对于电子工程师特别是电路板设计工程师和热证电子产品的综合性能。目前,协助热设计并验证设计工程师而言,使用热建模软件对电子产品进行热设计效果的方法有两种:热测量和热分析。其中热仿真时,对PCB上的各个电子元器件建立相应热测量能准确地得到温度分布,但必须建立样机模的元器件热模型是必不可少的一个环节。通过这些型,且改进热设计的代价也较大;热分析又称热模热模型可立即获得结点到环境或结点到外壳的热阻拟,它采用数学手段,在设计初期就能发现产品的以及热网络中其它所有元件的常见热特性。设计人热缺陷,从而改进其设计,大大缩短电子产品的开员可使用这些值来计算给定工作条件的温度,从而发周期,为提高产品设计的合理性及可靠性提供有界定PCB的类型、布局的细节以及铜线的粗细力保障。冷却系统的排布方式等。因此,要使用热建模软件热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及对电子产品进行精确的热仿真,获得PCB板上的其它热物理参数,如热量的获取或损失、热梯度、电子元器件的热模型是热仿真的基石热流密度(热通量)。热分析在许多工程应用中扮了解热模型的趋势以及采用这种方法将为客户演重要的角色,如内燃机、涡轮机、换热器、管路所带来的好处,飞利浦公司在业界第一个为客户提系统、电子元件。对于电子装备,可以通过热分析供其半导体产品的热模型。这些热模型可在目前使软件 ANSYS的耦合来求解能量方程,计算电子装用广泛的热建模软件,提供其功率半导体器件的热备(元器件级、PCB板级和系统级)或散热齿模型,以帮助客户精确地预测其器件的热性能,所片)和冷却液间的对流换热,从而对电子装备热需的时间仅占构建和测试原型所需时间的小部分。设计进行精确的数值仿真,提供风(流)道的优化这使得客户能够更简单地解决复杂的设计问题并优设计。计算热源密度、温度分布、热生成率、潜热化其设计的热管理。和热函数等参量,解决半导体元件、集成电路、电3使用热分析软件进行PCB热分析、子组件和整机系统的温度分布、平面布置、局部温升、固化与熔解等问题。 TASPCB是 ANSYS公司热设计的关键技术的印刷电路板热分析工具,使用这个界面接口,用3.1使用热分析软件进行PCB热分析、热设计的户能输入ECAD数据到 TASPCB内完成整板级的流程详细热分析,最终实现系统级热分析。应用热分析软件的一般步骤是:根据产品或设2热分析、热设计方法的发展计要求建立热模型,输入所需的热参数和边界条件,划分网格并进行计算,通过后处理获得温度场般来说,传统的热设计方法包含以下的流分布。使用 TASPCB进行PCB热分析、热设计的程:1)根据电子产品的寿命剖面和任务剖面,确流程如下:1)根据PCB的寿命剖面和任务剖面定产品的热环境;2)进行热分析;3)进行热设确定PCB的热环境;2)获取PCB上电子元器件计;4)开展热设计评审;5)进行热试验和热测的基本信息,主要包括元器件的物理外形和热特量。性;3)建立相应型号电子元器件的热模型;4)获传统的热设计方法,使用典型的“真实”原型取PCB上电子元器件工作状态的信息,主要包括的构建和测试方法,对电子产品进行热试验和热测功耗;5)EDA文件的导入;6)EDA元器件和量,检验热设计的效果和预计该产品可能达到的热 TASPCB热模型的映射;7)建立PCB的热模型;性能指标,并对冷却系统的适用性和有效性进行评8)Ⅵ凵中国煤化工价,传统的热设计方法需要做大量的工作。由于近CNMH进行热分析时,影年来EDA技术特别是计算机仿真技术的发展以及响精度的达素包括建模因素、热功耗因素、导热因电子装备制造商出于节约时间和降低成本的考虑,素、对流因素和热辐射因素等。其中元器件的热建DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAA电子产品可靠性与环境试验2009年模和热功耗评估是进行热分析、热设计的重要因K=0.59V+1.ll素,因为热模型建立不准确,会导致较大的热分析V+0.7误差,不能满足工程要求;热功耗评估偏差过大裹1结到管壳的热阻也会造成热分析误差过大,同样也达不到工程要封装形式Rhaf(℃·W)求。恰当的电子元器件建模和功耗评估是进行精确金属圆形封装70热分析的基础,下面主要从建模、热功耗这两个方金属菱形封装面进行分析。双列直插(DP)封装28密封器件扁平封装32电子元器件热模型的建立技术针栅阵列(CPGA)封装20球栅阵列(CBGA)封装15电子元器件热模型的建立需要在读懂软件自带小外形(SO)封装电子元器件热模型的信息和格式的基础上进行。分芯片载体(LCC)封装16析了软件自带电子元器件热模型的格式和内容,可双列直插(DIP)封装63以确定要建立电子元器件热模型所需要的元器件信扁平封装息如下:1)元器件型号、名称、执行标准;2)元非密封器件针栅阵列(PGA)封装38球栅阵列(BGA)封装器件类型;3)元器件几何参数(封装形式);4)小外形(SO)封装元器件封装材料特性参数(线膨胀系数、热传导芯片载体(LCC)封装率、密度和比热容等);5)元器件引线材料特性参(数据来源:GB/z29c-2060数(弹性模量、热传导率、介质衰耗系数等);6)电子元器件的热阻(结到壳的热阻Rh、壳到板表2空气流动速度的典型值,空气流量系数K的热阻R);7)最大结温Ts,最大壳温T臧wx,自然对流最大工作环境温度T=x;8)最大发热功耗,耗散轻微辅助冷却051,2风扇辅助冷却1如果要准确地对器件进行热建模,那么获取详强制冷却0.7细的元器件各有关资料就至关重要。一般来说,对于以上所需的元器件信息,大部分可以通过元器件热阻是封装类型、管脚数目和气流因素共同决的详细产品资料获取。但是也有一些信息在详细产定的值,如表3所示。品资料中没有给出,这就需要采用其它或间接的方表3集成电路的封装热阻法获取,例如:对于元器件的热阻,又分为结到壳S:管脚数的热阻R(和壳到板的热阻R(c4。结到壳的K:气流因子(见表2)热阻是器件自身固有的热阻,与管芯、外壳材料的R℃·WRJC℃·W)DL陶瓷封导热率、厚度和截面积及加工工艺等有关;壳到板装023103(02406K)(0.3的热阻则与管先封装的形式有关。一般说,管壳2数料均03010836(053对于没有给出热阻的部分元器件,可以参考塑科0:23)0072)151GJBZ299c-2006给出的结到管壳的热阻的参考值OJ和SOL和 PD IEC TR6004计算热阻的方法,如表塑封装02(03108028113)TSOP塑料1所示。封装04(20+200(04406K)(202500据插件的管脚数S和冷却因素K来计算元器件的牵A陶毕03s+3)(0306K)(0,140PD IEC TR62380-2004计算热阻的方法:根P热阻值。装中国煤化工6K)2x+39)K:冷却因素,根据空气速度W(m),表2S:插件的管脚数;CNMHG6 K)(6..*I0给出了K的实际值。有下列公式(数据来源: PD IEC TR62380-2004)DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANING SH/YAN第4期毕锦栋等:基于 TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨获取了电子元器件热模型所需的各种信息和得对于集成电路热功耗,最好是用集成电路实际到了热模型的文件格式后,就可以进行热模型的建的平均耗散。在未知实际的平均耗散的情况下,对设。对于所需的元器件的各种信息,如果已经建立于CMOS系列数字电路(除了存储器和74ACT系了相关的元器件信息系统,即可通过共享信息系统列电路),可以采用以下方法,其它电路的计算方后台数据库的方式来实现直接获取和实时更新元器法可以参考 PD IEC TR62380:2004的方法。件信息,开发出电子元器件热模型热仿真参数导入CMOS系列数字电路热功耗数值计算式子和热模型生成程序。通过该程序,设计师可以快捷P=P(P+35地建立所需元器件的热模型,以便调入热分析软就是电子元器件热仿真参数导人和热模型生成程序W中,P值可通过下列任意一个公式计算可件,对PCB进行热分析和热设计。如图2所示,的界面a)如果指定了等效电容C(2x/)x[cn(各功能数)+C4(输出引脚数品县b)如果在频率,已知的情况下给出电流lJ/,+fC(输出量)×10(3)其中:P——最大功率Va——电源电压F—工作频率Cc各个功能的等效电容耗散能量;C—每个输出的负载电容L—在指定的频率f给出电流消耗l,当输出不带电时指定的频率值。图2电子元器件热仿真参数导入和热模型生成程序4典型PCB热设计优化的实例41典型的热优化设计方法对比(如图3-8所示)33电子元器件热功耗评估技术电子元器件热功耗的获取是电子产品进行软件热仿真不可忽略的一个环节,热功耗数值的准确与否,直接决定了仿真的成功与否。与电子元器件的·热模型一样,热功耗是影响热分析的重要因素,热功耗不同,则热分析的结果大不相同。一般电子元器件的热功耗的获取较为困难,通常,确定电子元图3PCB空气冷却的因素(优化前和优化后)器件热功耗的方法包括测量法和仿真法。测量法就是通过测量元器件工作电流和电压来计算电功耗在数字电路中,一般可近似地认为电源功率等于该器件的热功耗。采用测量法,能准确地得到功耗,但在实际工程中应用较少,因为测量法必须借助于原理样机,且在复杂电路中难以对电流值进行测量。所以,一般仅对板级和系统级的总功耗进行测中国煤化工量。仿真法一般在产品设计早期进行热分析,此时CN GIm无原理样机,可以通过软件仿真的方法来模拟出电功耗,常用的仿真软件有 Pspice、proE等。图4元器件发热耗散汇总(优化前和优化后)DLNZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2009年图5未优化处理的PCB热分布图图6降低元器件发热功耗后的PCB热分布图图7调整元器件位置后的PCB热分布图图8增大风速、降低风温后的PCB热分布图表4-7是由软件生成的以上4种情况下的元a)优化方法1:降低发热元器件功耗,以减少器件工作状态关于功耗和热信息的汇总报表和对数热量的产生。在其它条件未改变的情况下,降低元据分析的结论。器件U2的发热功耗,由原来的35W降低到3W。表4未优化处理元器件工作状态功耗和热信息最大允许结温最大允许壳温元件代号元件名称耗散功率结温壳温板温气温与实际结温差与实际壳温差BGA169PLDOB 0651901551901252037348.1664123.099190988DIP20P 3W19689574394467.811637.8819-21.8946339439FP36C50 BWHPGW051275800971.720962581960.76989919910.72092HF8M. 32DIA. 175BH 20PC 0.4555623463622429931.8433119438246378U5 LCC18PT3ADRECTR05 1.780931167.5014224039406893.49896PGA121CLOCU. L57.233952813949667542.7408117.76618186174601563401653.15l8486427100.3987.5984SOIC28P. 30BWGW 050.650.254943.054941.6082359645124.745279451结果分析:PCB上的元器件U2(DP2P3W)结果分析:所有元器件最大的结温在元器件允的最大结温为19685℃,大于元器件允许最大的许最大的结温内,元器件的壳温在元器件允许的最结温(175℃),元器件U2(D2P3w)的最大大的式中国煤化工壳温为743944℃,大于元器件允许的最大的壳CNMHGEPCB上的位置温71℃,必须采取优化设计。和方向即对于能够产生高热量的元器件和集成电路46DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHYAN第4期毕锦栋等:基于 TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨表5降低元器件发热功耗后的元器件工作状态功耗和热信息元件代号元件名称耗散功率结温壳温温气温最大允许结温最大允许壳温与实际结温差与实际壳温差BGA169PLDOB 065037650377450.5032469251124622206226DIP20P 3W317486769867264.25423702880132661.132FP36C. 50BWHPGW 05 1.273908769828760.608959.2186101.091l.17126HFSM.32DIA 175BH 20PC 0.455076745876642485331.66021199231234LCC18PT3ADRECTR.05 1.780261666831556015241.887794.73844.16853PGA121CLOCU. 156490552070548.854442.2427118.509189295U7QFP208CGW0202736768624769520468479962101.3238.52314U8 SOIC28P 30BWGW 05 0.649.902942702841.249535.7403125.0928.2972芯片等来说,应把它们放在出风口或者利于对流的c)优化方法3:增大风速、降低风温、增大位置。其它条件未改变,调整了元器件U2在PCB风口面积即在规则容许之下,风扇等散热部件与需上的位置。要进行散热的元器件之间的接触压力应尽可能地6调整元器件位置后的元器件工作状态功耗和热信息元件代号元件名称耗散功率结温壳温板温气温最大允许结温最大允许壳温与实际结温差与实际壳温差BGA169PLDOB 0647218947218747.297345.1511127.78123.7813DIP20P3W166482614815561382323352851842951848FP36C. 50BWHPGW05 1.268004363.924654.37355467591069967.07544HF8M. 32DLA. 175BH20PC 0.460159150959478095340082114841ULCC18PT3ADRECTR.05 1.783650370.22035942854475889134970.779732PGAl21CLOCU. 11.3603716559517525314471407114628150483U7QFP208CGW02073955762755752.1275486819101.0448.24427U8 SOIC28P 30BWGW 05 0.657480350280249.0081404883117.5220.7198结果分析:所有元器件最大的结温在元器件允大,同时确认两个接触面之间完全接触。其它条件许最大的结温内,元器件的壳温在元器件允许的最未改变,调整了风的因素:增大风速、降低风温大的壳温内。增大风口面积。裘7增大风速、降低风温后的元器件工作状态功耗和热信息元件代号元件名称耗散功率结温壳温板温气温最大允许结温最大允许壳温与实际结温差与实际壳温差UBGA169PLDOB 0642979542979343.107739472413202280207DIP20P3W16735662355856729530.22167.64398FP36C.50BWHPGW05 1.2662486216853014151.29211087528.83198HF8M32DA.l75BH20PC0448042438842435426625.148512695832.1576U5LCC18PT3ADRECTRJ.05 1.772813593829中国煤化工11.6171PGA121CLOCU. 148983344.5633CNMHG264367U7QFP208CGW02065915454.75544.51/1/8 IU,U3D16.2845U8 SO[C28P 30BWGW 0S 0.642993635.793634.3417289344132.00635.2064DANZ CHAMPIN KEKAOXING Y HUANNNG SHYAN电子产品可靠性与环境试验2009年结果分析:所有元器件最大的结温在元器件允5结束语许最大的结温内,元器件的壳温在元器件允许的最大的壳温内。热分析、热设计及热测试技术是提高电子产品可靠性必不可少的方法,这些方法应该随着科学技42制电路板的热设计原则和热设计优化措施术的发展特别是计算机仿真技术的发展不断前进。通过对以上不同方案设计的PCB热分布的定本文简要的介绍了电子产品热分析、热设计的必要量分析,得出一般电子产品PCB设计时的热设计性及其方法的发展,介绍了基于 TASPCB环境下的优化措施如下电子元器件热模型和电子元器件信息系统同步处理1)对于可能存在散热问题的元器件和集成电的技术和元器件热功耗评估技术,这将给电子热设路芯片等来说,应尽量保留足够的放置改善方案的计工程师和可靠性设计工程师提供一个良好的热分空间,目的是为了放置金属散热片和风扇等。析、热设计环境和方法,加快产品的设计开发,提2)对于能够产生高热量的元器件和集成电路高电子产品的可靠性。可以说,电子产品热分析芯片等来说,应把它们放在出风口或者利于对流的热设计一体化技术具有很大的研究潜力和价值。位置3)在进行印制电路板的布局过程中,各个元参考文献器件之间、集成电路芯片之间或者元器件与芯片之GJBz90-06.电子设备可靠性预计手册间应该尽可能地保留空间,目的是利于通风和散2GJB-199,2电子设备可靠性热设计手册[ 3] PD IEC TR 62380: 2004, Reliability data handbook-Uni-热versal model for reliability prediction of electronics compo-4)对于印制电路板中的较高元器件来说,设nents, PCBs and equipment s]计人员应该考虑将他们放置在通风口,但是一定要(4] EIAJESD514-199, Thermal test chip guideline(Wie注意不要阻挡风路。bond type chip) [S]5)对于印制电路板中热量较大的元器件或者S]王锡吉,李平,杨家铿可靠性工程].广州:电子工集成电路芯片以及散热元件等,应尽量将它们靠近业质量与可靠性培训中心,199印制电路板的边缘,以降低热阻间6]吕永超,杨双根,电子设备热分析,热设计及热测试技6)在规则容许之下,风扇等散热部件与需术综述及最新进展团.电子机械工程,2007,23(1)进行散热的元器件之间的接触压力应尽可能大,同]方志强,付桂翠,高渾溪.电子设备热分析软件应用研时确认两个接触面之间完全接触。究团.北京航空航天大学学报,2003,29(8):7377)对于采用热管的散热解决方案来说,应尽740.量加大和热管接触的相应面积,以利于发热元器件8]付桂翠,高泽溪,方志强,等电子设备热分析技术研和集成电路芯片等的热传导。究田.电子机械工程,2004,20(1):13-16加加护》》》8888息与动感田田田徳国开发出首款可印刷生产的“薄纸”电池HHHHHHH!HHnHHHHHHHHt据报道,德国弗劳恩霾夫电子纳米系统研究所最近开长期以来,电池一直是笨重的。现在,这种新型超薄发出了世界上首款“可印刷的”高效能电池,它不但价格电池将引起一场电池领域的革命。研充人员通过利用纳米便宜,而且外形小巧,薄如纸张,用丝网印刷技术就能生技术将普通锂离子电池缩小并封闭到一张纤维素纸张上产。在实际应用中可嵌入贺卡、银行卡等用电量很小的小它的中国煤化工还能像印刷报纸那型载体中使用。样产这种高效电池与传统电池相比,这种电池还具有制造成本较低,不研究CNMH他。预计到2009年含汞,对环境无污染等优势。它的电压为15V,可通过几底,第一批产品就可以生产出来并投放市场。个电池串联来获得更高的电压。(本刊讽)DUANZ CHANPIN KEKAOX/NG YU HUANJING SHIYAN