1、1 / 6空間 PCB 散熱分析與優化設計陳粵，呂樹申*(中山大學化學與化學工程學院, 廣州, 510275)摘要：摘要：本文通過對應用于航天器的 PCB（Printed Circuit Board）電路板進行熱分布分析，借助 I-deas/TMG 軟件對 PCB 進行建模，研究了輻射在 PCB 散熱中的角色、散熱銅板層數優化以及表面輻射率（也稱黑度）對散熱的影響。結果表明，增強熱傳導(即增加銅板厚度)可防止 PCB 局部溫度過高；輻射的作用在高溫時明顯，而低溫時較弱；表面發射率對散熱的影響也隨溫度的降低而減小。關鍵詞：關鍵詞：PCB；I-deas/TMG；輻射散熱；傳導散熱1.前言隨著以集成

2、電路及芯片為主的微電子機械系統在信息、工業、汽車、消費電子等領域的應用越來越廣泛，高功率、微型化、組件高密度集中化的趨勢也在迅速普及，其中散熱效果已成為決定其產品的穩定性及可靠度的重要因素。一般而言電子元器件的工作可靠性對溫度極為敏感，器件溫度在 70-80水平上每增加 1，可靠性就會下降 5%1,因此熱控制方案成為電子產品的開發和研制過程中需要充分考慮的關鍵技術問題2。I-deas/TMG 現在稱為“NX MasterFEM TMG Thermal” ，是 UGS 系列注冊軟件之一“I-deas NX Series”的一個內置模塊3。NX Master FEM TMG 是一個全面的傳熱仿真程

3、序，它采用先進的有限元分析方法建立非線性、瞬態熱交換問題的模型，采用 3 維建模思想，創建和關聯幾何與熱分析有限元模型，快速精確地求解復雜的傳熱問題4。本文應用 I-deas/TMG 對在空間運行的電子系統中的 PCB 電路板進行熱分布分析，主要研究輻射系數和散熱銅板的層數在電路布置和整體散熱中的作用、對溫度分布的影響（沒有考慮地面對流的影響） ，并對整個電路板所在箱體進行了系統優化設計。2.模型介紹：2.1 PCB 熱模型描述待模擬的 PCB 板（簡稱“熱板”)是機箱內一系列 PCB 電路板組中發熱量最大的一塊，被裝配在最靠近箱殼的一面，并將其發熱量較大的一面（正面）朝向溫度較低的箱殼，以加

4、強散熱。為了簡化模擬，截取了機箱中最具代表性的一部分作為“簡化模型”來進行模擬（即從箱殼到“熱板”相鄰的另一 PCB 板之間的箱體空間） 。圖 1 為機箱簡化模型圖。 “簡化模型”為長方體，底面為“熱板”相鄰的 PCB 板，其溫度設為恒定 20；其他五個面為箱殼，溫度為 0；“熱板”位于中部，介于箱殼與另一 PCB 之間，板間距為 20mm。圖 機箱簡化模型圖，中間為“熱板”且正面朝上，底面為另一 PCB 板。（a）正面 （b）反面圖 元件分布圖（紅色部份為工作的發熱元件） 。如圖 2 所示，PCB 板正反兩面均分布許多電子元件，根據尺寸及發熱情況對其進行模型化。整理得到 PCB 正面排布 9

5、 路元件組，中央區為 DCDC；背面排布 6 路開關電路。PCB 工作時正面有三路元件組同時運行，背面一路開關電路協助工作。本文模擬了其發熱最集中的工作模式，即正面三路集中分布于電路密集區域，背面一路也位于正面工作電路的對應背面。PCB 板的兩端為冷端，并設定溫度值為 0，傳導熱量流入此 Heat Sink。除了傳導散熱外，PCB 還通過箱體內壁以及相鄰 PCB 板的交換輻射進行熱疏導。2.2 TMG 傳熱模型描述TMG 支持三種類型的切割方式：3 維體切割、2 維面切割和 1 維梁切割。進行切割前需定義材料性質參數（其中導熱系數為熱傳導模擬必須參數，若考慮輻射，則仍需定義發射率） ，并于切割

6、時與單元相關聯。本模型假設 PCB 基板由多層銅板(單層厚度為 0.0165mm)復合而成，銅導熱系數為 340W/mK；電子元件材料導熱系數采用經驗值 34W/mK。對于基板，用 Surface by Boundary 命令設定平面，以此代替厚度為 2mm 的基板，然后采用 shell mesh 進行面切割，厚度定義為 n*0.0165（具體厚度分別取不同 n 值） 。電子元件的切割采用正面單路元件DCDC反面單路元件solid mesh 和 shell mesh 相結合的方法進行切割，采用 shell mesh 是考慮到進行輻射傳熱時，需要元件表面有一層平面單元。而電子元件與基板間的接觸熱

7、阻用 Thermal Coupling 進行定義，單個元件接觸熱阻值為 0.7K/W。發熱定義根據模擬情況，逐個用 Thermal Boundary Condition 進行基于幾何形狀的定義，設置相應 Heat Load 值；冷端也采用同樣方法設置Temperature 等于 06。輻射的模擬，借助了箱體。PCB 板置于箱體中部，整個箱體與 PCB 板定義為同一個FEM。根據模擬情況對箱體六個面（其中一個面模擬發熱量較低的另一塊 PCB 板）進行面切割，定義面切割厚度為 6*0.0165，材質為銅，導熱系數為 340W/mK。并用 Thermal Boundary Condition 根據模

8、型設定各個面溫度。檢查單元 Z 方向：其中箱體各個面的單元 Z方向朝向箱體內部；中間 PCB 上元件的平面單元 Z 方向向外；PCB 基板單元朝向垂直于平面。用 Reverse Sides 定義 PCB 基板具有反面輻射能力，并定義其相關輻射參數與正面相同。設定一個 Radiation Request，并選定其為“All Radiation”7。進行 FEM（有限元分析）切割后模型如圖 3 所示。 （a）PCB 板 FEM 模型 （b）箱體與 PCB 板接合后的 FEM 模型圖 PCB 板 FEM 模型及考慮輻射箱后 FEM 模型。3.結果與分析3.1 元件分布對溫度分布的影響PCB 板正面共

9、有 9 路工作電路，正常工作時有 3 路在運作，當三路運作的電路集中分布和分散分布時 PCB 板的溫度分布及最高溫度是不同的。通過 TMG 的模擬，給出了形象的溫度分布情況及最高溫度值。圖 4（a）為 PCB 正面三路工作電路分散工作情況示意圖及熱分析結果溫度分布圖，圖 4（b）為模擬正面三路工作電路“集中分布工作”時的溫度分布情況，皆未考慮輻射，且兩圖的基板均為 6 層銅板即厚度為 0.099mm。由圖 4（a）與圖 4（b）可見：分散分布時，最高溫度位于 PCB 板中部，工作電路所在區域溫度高于未工作電路區，溫度向兩個冷端遞減，未考慮輻射時 PCB 最高溫度為24.5；而集中分布時，最高溫

10、度位于三路集中分布的工作電路區域，溫度依次向兩個冷端遞減，未考慮輻射時 PCB 的最高溫度為 40.3。由此看出，設計 PCB 電路時，在滿足電子性能的前提下讓高發熱電路盡量分散，并使發熱量大的電子元件盡量靠近冷端，則可讓 PCB 整體溫度均勻分散并保持在較低的溫度水平。 （a） 正面三路工作電路分散分布工作情況示意圖及溫度分布圖 （b）正面三路工作電路集中分布工作情況示意圖及溫度分布圖圖 PCB 正面三路電路分散分布工作與集中分布工作比較0204060801001201401601802000.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.140銅板厚度/mm最高溫度

11、T/不考慮輻射PCB最高溫度/考慮輻射PCB最高溫度/0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.80.91發射率最高溫度T/3層（0.0495mm）基板最高溫度/6層（0.099mm）基板最高溫度/圖 不考慮輻射與考慮輻射最高溫度與 圖 6不同基板厚度下發射率與最高溫度關系銅板厚度的關系圖3.2 板層厚度與輻射之間的關系通過不同層數的銅基板的模擬探討基板銅厚度對散熱的影響。單層銅板厚度為0.0165mm，基板銅厚度為 n*0.0165；輻射發射率0.9，模擬結果如圖 5 所示。圖 5 示出，層數較少時，板傳導性能降低，局部聚集的熱量沒法通過傳導帶走，溫度

12、上升到較高層次，隨著溫度的上升，輻射便得到加強，輻射起到散熱的主要作用。而層數增大，傳導加強后，生成的熱量很快被帶走，溫度下降，輻射強度降低，熱量的疏導主要由傳導承擔。而板的傳導非常好，以至板溫度低于環境時，輻射反而成為 PCB 板的熱源。故基板傳導性能差，溫度在較高時，輻射強烈；銅板傳導性較好時，溫度能降至較低，此時輻射對熱疏散貢獻不明顯；基板傳導優化到一定程度即可，若再進一步優化傳導，其作用不明顯。若 PCB 板需要維持在較低溫度，需加強基板熱傳導來實現。3.3 輻射發射率的影響本小節通過模擬不同發射率下基板的最高溫度，探討發射率對不同厚度基板散熱的影響,模擬結果如如圖 6 示。可見基板傳

13、導性能較好，溫度不高情況下，增大發射率（可通過在表面涂特制漆）對傳熱優化并不明顯；而若基板傳導性能較差、基板溫度高時，增大發射率對散熱有較明顯作用。4.結論本文采用 I-deas/TMG 對太空中應用的 PCB 電路板進行熱分析。結果表明，增加 PCB板熱傳導性能有助于防止部分高功率電子元件溫度過高。當電子設備溫度要求苛刻時，如40以下，采用 6 層銅板（厚度為 0.099mm）可以有效實現；而一般的電子設備可采用 3 層（0.099mm）銅板即實現最高溫度 70左右。輻射在 PCB 板溫度較高時能起到明顯散熱作用，而低溫下作用不明顯。增大基板表面發射率在 PCB 板傳導性較差時，能較明顯的加

14、強散熱。在采用 6 層銅板時，若從 0 改善至 0.9 可實現 8.5的溫度降低；在采用 4 層銅板時，當發射率改善至 0.9 后，將比發射率為 0 時有 26.9的降低。但基板溫度較低時，發射率的增大對散熱作用較小。參考文獻1 齊永強，何雅玲，張偉等.電子設備熱設計的初步研究.現代電子技術，2003，(1): 7379.2 謝德仁.電子設備熱設計工作點評.電子機械工程，1999，(1): 2728.3 TMG Thermal Analysis Users Guide, I-DEAS 11m1 NX Series, UGS PLM Solutions Inc., Plano, Texas.4

15、陶文銓.計算傳熱學的近代進展.科學出版社，2005: 400409.5 葉宏.NX MasterFEM 熱分析教程.北京:清華大學出版社,2005.106 Seung-Yo Lee, Lingyin Zhao, J.D. van Wyk, et al, “Thermal Analysis for Series LC Integrated Passive Resonant Module Based on Finite-Element Modeling,” Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd

16、 Annual, Volume 2, 23-27 June 2002 Page(s):1009 - 1014 vol.27 Philippe Feautrier, Eric Stadler, Pascal Puget, “Interest of thermal and mechanical modeling for cooled astronomical instruments: the example of WIRCam,” Proc. SPIE Vol. 5497, p. 149-160Simulation and Thermal Optimizing Design of PCB Work

17、ing in SpaceYue Chen, Shu-Shen Lu*(School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China)Abstract:In this paper, the thermal analysis of Printed Circuit Board running in space has been conducted by the modeling of NX MasterFEM/TMG software. The effects of the emissivity of PCBs surface on the radiation and the optimized copper board layers have been computational studied in detail. The results show that the PCBs local overheated can be effectively prevented when enhancing the conduct