金融税控收款机PCBA热设计和热分析

2010年第26卷第3期电子机槭工翟2010.Vol.26No.3Electro- Mechanical Engineering金融税控收款机PCBA热设计和热分析杨俊逸,谢家文,何彩英,李亚涛,夏冬梅(长城开发科技股份有限公司,深圳518035)摘要:金融税控收款机小型化、保密性设计使得其PCBA热设计和热测试侃为困难,为此基于传热学基本原理对PCB及元器件布局进行了热设计,并应用 Icepak热分析软件对PCBA的热设计方案进行了温度场模拟,获得了PCBA四种工作模式充电状态下的温度分布。数值模拟结果表明:除防护墙内的元件外,读卡模式元器件的温度明显高于其它模式相应元器件的温度,进行了PCBA热测试,测试结果表明:元器件温度都处于正常工作范围,教值模拟结果与实验值也吻合得较妤,说明文中热设计和热分析的有效性。关键词:热设计;热分析; cepa;金融税控收款机中图分类号:TN03;TK124文献标识码:B文章编号:1008-5300(2010)03-0017-04Thermal Design and Analysis of PCBA for Finance Fiscal Cash RegisterYANG Jun-yi, XIE Jia-wen, HE Cai-yin, Li Ya-tao, XIA Dong-meiShenzhen Changcheng Kaifa Technology Co., LTD, Shenzhen 518035, China)Abstract: Thermal design and thermal testing of Finance Fiscal Cash Register( FFCR) are becoming more difficult because of its miniaturization and confidentiality. For this reason, a thermal design based on heat trans-fer for PCBa of FFCR is conducted, and Icepak thermal analysis software package is used to carry out numerical simulation of temperature field of PCBA for obtaining temperature distribution of PCBa under the conditions of 4 operating modes model of charging state. The numerical simulation result shows that component tem-perature of data transfer model is significantly higher than that of other operating modes except the componentsprotected by the wall. Thermal test is carried out to verify thermal design and thermal analysis of PCBa of FFCR. The result shows that component temperature is within its reliability temperature range, the result of numerical simulation is in good agreement with the thermal test result, showing the validity of thermal design andKey words: thermal design; icepak; thermal simulation; finance fiscal cash register0引言温度成指数关系增长,工作温度升高10℃,失效率增大一倍以上。因此热设计在电子结构设计中是不可忽随着电子元器件及电子产品功率密度的不断增视的环节研究高效率、低成本、环境友好的散热方法加,产品小型化的要求温度已成为影响其可靠性的主对提高电子产品的运行稳定性具有重要的意义。要因素。如果各种发热元件散出来的热量不能够及时与一般电子产品的电路板设计不同,金融税控收排出去,就会造成热量的聚集,从而导致各个元器件的款机的电路板设计要求既要有一定的稳定性又要有温度超过其所能承受的温度极限,使得电子设备的可一定的保密性。因此一些关键芯片往往布置于密封的靠性大大降低。有资料表明,电子设备的失效有55%小空间这样一来给热测试带来困难,同时由于芯片所是由于温度超过规定值而引起的,保证工作稳定性处空间狭小密闭,空气对流不通畅其散热也成一定和延长使用寿命元件芯片的最高温度不得超过问题85℃(2。10℃法则3也表明:电子元件失效率随工作量通YH中国煤化工将芯片散出来的热CNMHG·收稿日期:2009-12-2918电子机械工程第26卷文中首先根据热设计基本原理及工程经验,对金境及根据电路设计所选用的元器件的最高许用温度。融税控收款机的PCBA进行了热设计;之后应用lce表14给出了常见元器件表面温度允许值。由于金融ak热分析软件对热设计方案进行了热仿真,得到不税控收款一般在有空调的室内使用,环境温度一般为同工作模式、不同状态下的PCB及元器件的温度分25℃左右考虑到加盖后温升的影响PCBA热设计时布;最后通过热测试检验了热设计和热分析的有效性。取30℃,根据热流密度与温差及散热方法的关系1金融税控收款机PCBA热设计经计算并考虑到设备的稳定性,确定采用自然冷却的散热方法。在进行热设计之前,必需了解设备所处的实际环表1元器件表面温度允许值元器件名称表面允许温度/℃元器件名称表面允许温度/℃变压器、扼流圈陶瓷电容器金属膜电阻玻璃陶瓷电容器碳膜电阻器硅晶体管钯膜电阻锗晶体管压制线绕电阻电子管印制电阻85CMOS全密封扁平封装l25涂漆线绕电阻陶瓷直插、黑瓷直插纸介电容器CMOs塑料直插薄膜电容器TL小规模集成电路25-125云母电容器70-120TTL中规模集成电路PCB的热设计涉及导体图形线宽和厚度的选取,完成的金融税控收款机PCBA热设计如图1所散热通孔、盲孔的设计及材质、层数的确定等。根据电示。路要求及工程实际,金融税控收款机的印制电路板热设计采用三块水平PCB堆叠而成,最上面为四层电路板,板厚为1.6mm,材质为FR4和纯铜;中间为6层电路板,直接焊在最上面电路板底面中心部位,并用防护墙将其密封起来,为了提高散热效果,中间电路板均布散热孔,孔径为0.25mm,防护墙材质为FR4,并在表面密布细微铜线;最下面为4层电路板,材质为FR4和纯铜,并在发热量较大的电源模块等部件周围开设散热通孔,孔径为0.6图1PCBA热设计3D图元器件的选用与布局根据以下方法进行:(1)为避免PCB上的热点的集中,将功率器件均金融税控收款机PCBA热分析匀地分布在PCB板上;(2)将温度敏感的元件放在电路板底部,并尽可2.1控制方程能选用体积大的元器件流体流动要受三大物理守恒方程的支配,即质量(3)选用散热效果好的封装芯片,安装时在封装守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程,可以用通用底部涂硅胶,保持与PCB的良好接触;形式描述以上方程4)选用引线横截面积大、长度短,管脚多的元器a(p),(puφ),叭(p),0(p更件,以利于热量的传导;at(5)尽可能将元件最长的尺寸垂直放置,并将它a/aΦ(1)们在水平方向交错布置;中国煤化工(6)对于发热量大的电源模块等部件,将它们布式中CNMHG、w、T等求解变量;置于最下面的电路板底部,并在接触部位附近涂覆金r为广又扩散杀数;S为厂义源项。式(1)中各项依次属薄层,开设散热通孔。为瞬态项、对流项、扩散项和源项。第3期杨俊逸,等:金融税控收款机PCBA热设计和热分析PCBA的热设计被视为稳态过程,根据式(1),可得到PCBA对流换热的通用方程式a(puφ)+叫pφ)+叫pφ)=a/r aia( aidl ag利用有限体积法对上述控制微分方程在控制容积内进行积分,并引入边界条件,便可以得到求解变量的数值解。图2 Icepak模型2.2模型建立读取磁条信息→数据传输→打印信息三个阶段,历时由于金融税控收款机PCBA结构非常复杂,涉及到60s左右,每个阶段,参入的电路模块不一样,分配的的封装种类繁多如果进行实体建模不仅建模困难,而功率也不样,这样一来给金融税控收款机的热分析带且也为后续的网格划分计算求解带来巨大困难甚至来很大困难。为便于分析我们将其工作过程分为四无法求解或者求解时间十分漫长。因此进行适当的模种模式来进行分析,即待机模式、读卡模式数据传输型简化处理是必要的,在热分析中也是允许的。2.2.1PCB的简化模式及打印信息模式,每种模式都视作稳态过程并有充电与非充电状态。分析认为,如果每种模式下元器对于多层电路板,由于其复杂性,采用块体模件的温度都是安全的,那么在整个工作过程它也是安其等效热导率按如下公式计算全的。这样一来方便耗散功率的确定,根据试验测量K,=Σ(K41)/(∑1)和理论计算将每种模式下各个元件的耗散功率输人K=ΣΣ(t1/K)(3b)Icepak热分析软件中。K:=fK(3c)2.4初始边界条件的设置及网格划分式中K、K分别为沿板面和垂直板面的热导率;为在 Icepak软件中进行初始条件和边界条件的设置层的厚度f为铜层含量对于绝缘层J取1;K为材料气流:空气、稳态、紊流;的热导率。环境温度:30℃2.22电阻、电容、电感的简化加入辐射、重力加速度影响;对于小规格尺寸的电阻、电容、电感,其发热量微求解域边界:开放,温度为环温。小,同时对自然对流的影响不大,建模时将其略去;对网格划分采用HD网格,在HP工作站上进行划于大尺寸低功耗的电阻、电容电感由于其对流场有分,单元数2362102;节点数:2420895。定影响,但对热传导影响不大,因此建模时考虑成绝2.5模拟结果缘体;对于功率型电阻电容、电感根据工程经验将在HP工作站上进行并行计算将计算结果进行其热导率设为20W/mk。后处理,得到数据传输充电状态下的PCBA温度分布2.2.3封装元件的简化云图,如图3所示。由图3可以看出,元器件温度都处对于关键的封装元件,必须较精确地捕捉结点温在正常工作温度范围内,最高温度不超过7℃,查电度因此采用详细的封装模型或 DELPHIP模型建模;路图可知,此温度所代表的元件为场效应管属于充电对于高功耗、高功率密度和对温度敏感的封装元件采模块在充电过程中,其功耗最高可达1.5W,平均功用双热阻模型或者简化成块体并根据工程经验对塑耗都在750mW以上,属于功耗最大的元件之一,因料封装的元件热导率取6W/m,对陶瓷封装的元件此其温度比较高。由图3还可以看出,虽然一些关键取20W/mk;对于已知热功耗但并不重要的元件作为芯片(U,U,U8)被密封于保护墙内但其温度也在经过以上简化处理,得到金融税控收款机PCBA八下图4可以看出结占最高温度498℃)说平面热源,它们所产生的热量将直接进入PCB。50℃中国煤化工Icepak热分析模型如图2所示CNMH(收据传输打印)下2.3耗散功率的确定主要发热元件温度的比较见表2,可以看出在各种工金融税控收款机完成一次刷卡交易,一般要经历作模式下,各个元器件的温度都在其安全温度范围内,电子机械工程第26卷其中防护墙内元件(U1,U8,U9,U6)温度基本保持不变,说明外界其它元器件功耗的变化对其影响不大由表2还可以看出,数据传输模式下,除了防护墙内元器件无明显变化外,其它元器件都有不同程度的温升,大约2℃左右。这是由于高功耗GPRS模块的参人,使得PCBA整体温度有所提高,防护墙内元件因与外界隔绝受影响很小,所以温度变化不明显。图4U结点温度分布3热测试验证将金融税控收款机PCBA样机放人自然对流环境箱中进行热测试箱体尺寸、材质按照 JEDEC标准样机测试如图7所示,环境温度为25℃,采用J型热电偶进行测试,并通过数据采集卡每10s采集一次温度。图3PCBA温度分布为便于测试,只进行了待机充电过程的热测试测试结2不同工作模式下主要发热元件温度的比较工作模式UU8U9DQ13Q4U15U6Q5U6待机46.343.945459.450.649.738.639.771.060.4读卡46444.145.459.750.849938.739771.360.4数据传输46844.645.861452.251.240.541.671.760.7打印46.64.245.560.050.950.038.839.771.660.4果与模拟结果见表3。从表3中可以看出模拟结果4结论与实际测量结果非常接近,模拟分析的最大误差约为8%,完全满足工程设计要求。自然散热是最稳定、可靠的一种散热方法。本文基于 Icepak热分析软件建立了金融税控收款机PCBA的热分析模型,获得了四种工作模式下的温度场模拟,并进行了样机热测试,测试结果验证了热分析模型的有效性与实用性,为以后PCBA的优化设计及整机结构优化奠定了基础。参考文献[1] Janicki M, Napieralski A. 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