空间PCB电路板系统散热模拟分析与优化设计-中山大学化学学院

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空间PCB电路板系统散热模拟分析与优化设计-中山大学化学学院

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空间PCB散热分析与优化设计陈粤,吕树申*(中山大学化学与化学工程学院, 广州, 510275)摘要:本文通过对应用于航天器的PCB(Printed Circuit Board)电路板进行热分布分析,借助I-deas/TMG软件对PCB进行建模,研究了辐射在PCB散热中的角色、散热铜板层数优化以及表面辐射率(也称黑度)对散热的影响。

结果表明,增强热传导(即增加铜板厚度)可防止PCB局部温度过高;辐射的作用在高温时明显,而低温时较弱;表面发射率对散热的影响也随温度的降低而减小。

关键词:PCB;I-deas/TMG;辐射散热;传导散热1.前言随着以集成电路及芯片为主的微电子机械系统在信息、工业、汽车、消费电子等领域的应用越来越广泛,高功率、微型化、组件高密度集中化的趋势也在迅速普及,其中散热效果已成为决定其产品的稳定性及可靠度的重要因素。

一般而言电子元器件的工作可靠性对温度极为敏感,器件温度在70-80℃水平上每增加1℃,可靠性就会下降5%[1],因此热控制方案成为电子产品的开发和研制过程中需要充分考虑的关键技术问题[2]。

I-deas/TMG现在称为“NX MasterFEM TMG Thermal”,是UGS系列注册软件之一“I-deas NX Series”的一个内置模块[3]。

NX Master FEM TMG是一个全面的传热仿真程序,它采用先进的有限元分析方法建立非线性、瞬态热交换问题的模型,采用3维建模思想,创建和关联几何与热分析有限元模型,快速精确地求解复杂的传热问题[4]。

本文应用I-deas/TMG对在空间运行的电子系统中的PCB电路板进行热分布分析,主要研究辐射系数和散热铜板的层数在电路布置和整体散热中的作用、对温度分布的影响(没有考虑地面对流的影响),并对整个电路板所在箱体进行了系统优化设计。

2.模型介绍:2.1PCB热模型描述待模拟的PCB板(简称“热板”)是机箱内一系列PCB电路板组中发热量最大的一块,被装配在最靠近箱壳的一面,并将其发热量较大的一面(正面)朝向温度较低的箱壳,以加强散热。

电子电路PCB的散热分析与设计

电子电路PCB的散热分析与设计

电子电路PCB的散热分析与设计随着科技的不断发展,电子设备已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。

然而,在电子设备运行过程中,由于电路板上的元器件会产生大量的热能,如果散热不良,会导致设备性能下降、可靠性降低甚至出现安全问题。

因此,针对电子电路PCB的散热分析与设计至关重要。

本文将结合实际案例,对电子电路PCB的散热问题进行分析和讨论。

电路板的热阻:热阻是表示热量传递难易程度的物理量,值越小表示热量传递越容易。

电路板的热阻主要包括元器件的热阻和电路板本身的热阻,其中元器件的热阻受到其功耗、结点温度等因素的影响。

自然对流:自然对流是指空气在温度差的作用下产生的流动现象。

在电子设备中,自然对流可将热量从电路板表面传递到周围环境中,从而降低电路板温度。

然而,自然对流的散热效果受到空气流动速度、环境温度等因素的影响。

强迫通风:强迫通风是通过风扇等装置强制空气流动,以增强电子设备的散热能力。

强迫通风的散热效果主要取决于风扇的功率、风量等因素。

选择合适的导热材料:导热材料具有将热量从高温区域传导到低温区域的能力,常用的导热材料包括金属、陶瓷、石墨烯等。

在电路板设计中,应根据元器件的功耗和结点温度等因素,选择合适的导热材料。

提高电路板表面的散热能力:提高电路板表面的散热能力可以有效降低电路板的温度。

常用的方法包括增加电路板表面积、加装散热片、使用热管等。

合理安排元器件的布局:元器件的布局对电路板的散热效果有着重要影响。

在布局时,应尽量将高功耗元器件放置在电路板的边缘或中心位置,以方便热量迅速散出。

同时,应避免将高功耗元器件过于集中,以防止局部温度过高。

增强自然对流:自然对流是电路板散热的重要途径之一。

在电路板设计中,应尽量减少对自然对流的阻碍,如避免使用过高的结构、保持电路板表面的平整度等。

可在电路板下方或周围增加通风口或风扇等装置,以增强自然对流的散热效果。

采用强迫通风:强迫通风可以显著提高电子设备的散热能力。

10种PCB散热方法

10种PCB散热方法

10种PCB散热方法PCB(Printed Circuit Board)散热是电子产品设计中的一个重要环节,合理的散热方法可以保证电子产品的稳定运行和寿命。

下面将介绍10种常用的PCB散热方法。

1.散热片:在PCB板上加装散热片可以增加散热面积,提高散热效果。

散热片通常由铝、铜等金属材料制成,有助于将热量快速传导到周围的空气中。

2.散热孔:在PCB板上设计散热孔可以增加空气对板块的流动性,加强热量的带走。

合理的散热孔设计可以提高散热效果。

3.散热器:在PCB板的散热元件上安装散热器,可以通过散热器的扩散面积和散热风扇的风力来增加散热效果。

散热器通常由铝合金或铜制成。

4.散热膏:在高功耗元件和散热器之间使用散热膏可以提高导热效果。

散热膏的主要成分是硅油或聚合物,具有良好的导热性能。

5.PCB板设计优化:通过合理的电路布局和优化导线走向,可以减少电路板内部的热量堆积,提高散热效果。

6.板材选择:选择导热性能好的PCB板材料,如金属基板(如铝基板、铜基板等),可以提高热传导效果。

7.强制散热:利用风扇或气流,将空气强制引导到PCB板的散热元件上,增强散热效果。

这种方法适用于功耗较高的电子器件。

8.采用热管:热管是一种利用液体的蒸发冷凝过程来传导热量的器件,可以将热量从高温区域传递到低温区域,进一步提高散热效果。

9.线路板厚度增加:增加PCB板的厚度可以增加板层之间的热容量,降低热量堆积的风险,提高散热效果。

10.外部散热元件:在PCB板附近增加散热元件,如散热风扇或散热片等,可以进一步增加散热面积和风力,提高散热效果。

综上所述,PCB散热是一门综合性的技术,需要从多个角度综合考虑。

通过合理的散热方法和设计优化,可以有效降低电子产品的工作温度,提高其性能和可靠性。

回路热管的模拟及优化设计

回路热管的模拟及优化设计

回路热管的模拟及优化设计莫冬传,吕树申*(中山大学化学与化学工程学院,广州,510275)摘要:本文致力于设计出以水为工质、传热量200W以上的小型回路热管,并应用SINDA/FLUINT 对其进行模拟。

主要研究回路热管的各种参数对其传热性能的影响并进行优化,模拟的结果显示优化后的回路热管有着更优异的传热性能。

关键词:回路热管,SINDA/FLUINT,模拟,优化一、前言伴随着科技的迅速发展,许多电子产品有着小型化、精致化的趋势,但由于对性能要求越来越高,相对使用的功率必定也越来越高。

这样,电子组件表面的发热密度将迅猛增加,相应的热处理问题就变得十分尖锐。

比较典型的此类电子组件有计算机CPU,VGA,南北桥芯片组或通讯组件PA等。

如何在有限的空间解决这类散热问题,确保电子产品的正常操作成为了急需解决的关键技术问题和商业化需求。

回路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是由俄罗斯科学家Y u.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。

它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行,利用工质的蒸发和冷凝来传递热量,因此能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,是一种高效的两相传热装置。

由于回路热管有着良好的传热性能,回路热管在航天航空方面应用比较广泛,技术也比较成熟,但目前回路热管有着造价昂贵,装置庞大等缺点,使它的应用也主要是在航天航空方面[1]。

如何将回路热管进行小型化,廉价化,从而广泛适用于民用,特别是电子芯片冷却方面[2][3][4],这是我们进行探讨的目的。

文献提及回路热管传热性能的评价主要有四个指标,最低启动功率,最高运行功率,稳定操作温度以及回路的热阻。

[3][5]其中稳定操作温度指蒸发器壁面在某一特定功率下稳定操作时的温度。

我们认为这是评价用来电子芯片散热的回路热管的最重要的参数。

因为稳定操作温度的高低直接影响着电子芯片的工作性能。

本文的优化设计将以此为准则。

本研究用到了一个软件----SINDA/FLUINT。

简单实用的10种PCB散热方法解析!

简单实用的10种PCB散热方法解析!

对于企业电子技术设备管理来说,工作时都会影响产生具有一定的热量,从而使设备进行内部控制温度迅速发展上升,如果不及时将该热量散发出去,设备就会持续的升温,器件就会因过热而失效,电子信息设备的可靠性能就会下降。

因此,对电路板进行良好的散热处理非常重要。

PCB 板的散热是一个非常重要的环节,那么PCB 板的散热技巧是怎样的,下面我们一起来讨论一下。

01目前广泛使用的通过PCB板本身散热的PCB板是覆铜玻璃布基板或酚醛树脂玻璃布基板,也有少数纸基覆铜板。

虽然这些基板具有优良的电气性能和加工性能,但是散热性能差,作为高加热元件的散热方式,几乎不能指望由PCB 本身的树脂导热,它把热量从元件表面辐射到周围的空气中。

但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代,若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。

同时企业由于QFP、BGA等表面进行安装一个元件的大量资金使用,元器件发展产生的热量大量地传给PCB板,因此,解决方式散热的最好研究方法是提高与发热元件可以直接影响接触的PCB自身的散热技术能力,通过PCB板传导出去或散发出去。

散热铜箔和大面积供电铜箔▼热过孔▼IC背面裸露铜,减少铜皮与空气之间的热阻。

PCB布局热敏装置置于冷风区。

温度检测器放置在最热的位置。

同一印制板上的器件应尽可能按其发热量和散热量排列。

发热量低或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等。

)应放置在冷却气流的上游(入口),而发热量高或耐热性好的器件(如功率晶体管和大规模集成电路等。

)应放置在冷却气流的下游。

在水平方向上,大功率器件尽可能靠近PCB 的边缘以缩短传热路径,而在垂直方向上,大功率器件尽可能靠近PCB 的顶部,以降低这些器件在其他器件温度上的运行。

设备中印刷电路板的散热主要依靠气流,设计时需要研究气流路径,合理配置器件或印刷电路板。

空气往往流入电阻较低的区域,因此在配置印刷电路板上的设备时,应避免留下较大的空间。

热设计的重要性以及PCB电路板散热设计技巧

热设计的重要性以及PCB电路板散热设计技巧

热设计的重要性以及PCB电路板散热设计技巧
一、热设计的重要性
电子设备在工作期间所消耗的电能,比如射频功放,FPGA芯片,电源类产品,除了有用功外,大部分转化成热量散发。

电子设备产生的热量,使内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。

SMT 使电子设备的安装密度增大,有效散热面积减小,设备温升严重地影响可靠性,因此,对热设计的研究显得十分重要。

搞射频的兄弟有柴,这样散热也行?
对于PCB电路板的散热是一个非常重要的环节,那么PCB电路板散热技巧是怎样的,下面我们一起来讨论下。

对于电子设备来说,工作时都会产生一定的热量,从而使设备内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发出去,设备就会持续的升温,器件就会因过热而失效,电子设备的可靠性能就会下降。

因此,对电路板进行很好的散热处理是非常重要的。

二、印制电路板温升因素分析
引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化。

印制板中温升的2 种现象:
(1)局部温升或大面积温升;
(2)短时温升或长时间温升。

在分析PCB 热功耗时,一般从以下几个方面来分析。

2.1 电气功耗
(1)分析单位面积上的功耗;
(2)分析PCB 板上功耗的分布。

2.2 印制板的结构。

10种PCB散热方法

10种PCB散热方法

10种PCB散热方法散热是PCB设计中重要的一个方面,合理的散热设计能够保证电路板的稳定工作和延长使用寿命。

下面将介绍10种常见的PCB散热方法。

1.基础散热设计:基础散热设计是散热的基础,通过布局合理的散热片、贴片元件和散热孔等来提高整体散热效果。

2.散热片:散热片用于提高元器件散热效果。

常见的散热片材料有铜、铝等,可以将散热片与散热元件直接接触,提高传热效率。

3.散热背板:散热背板是放置在PCB背面的一个散热板,可以通过增大散热面积来提高散热效果。

4.风扇散热:风扇散热是通过在PCB上安装风扇,利用风扇的风力来加速热量的散发,提高散热效果。

5.热管散热:热管散热是一种被广泛应用于散热领域的方式,通过引入热管来提高散热效果。

热管内部是真空环境,通过液态循环的方式将热量传导到散热片上,然后通过自然对流的方式散发热量。

6.散热膏:散热膏是一种能够填充微小间隙并提高导热性能的材料,常用于散热元件与散热片之间的接触面上,能够提高散热效果。

7.散热管道:散热管道是通过在PCB上布置散热管道来加速热量的传递,提高整体散热效果。

散热管道内可以填充导热材料,来增强散热效果。

8.散热罩壳:散热罩壳是一种类似于盖板或罩子的结构,能够在PCB上覆盖住散热元件,防止热量流失和外界环境对散热的干扰。

9.热封装:热封装是一种能够将散热元件和散热板整合在一起的封装方式,通过直接接触来提高散热效果。

10.热模拟仿真:热模拟仿真是一种利用计算机模拟的方式来预测和优化PCB散热效果的方法。

通过建立热模型,可以在PCB设计阶段就评估设计方案的散热性能,并进行必要的优化。

总之,合理的散热设计对于保证电路板的正常工作和延长使用寿命至关重要。

以上介绍的10种PCB散热方法可以根据具体的应用场景选择合适的方案。

PCB散热设计研究

PCB散热设计研究

PCB散热设计研究一、引言随着电子技术的快速发展,PCB(印制电路板)作为电子设备中的核心部件,其性能的稳定性和可靠性越来越受到人们的关注。

而散热问题作为影响PCB性能的关键因素之一,其设计合理与否直接关系到整个系统的稳定性和使用寿命。

因此,对PCB散热设计进行深入研究,具有重要的理论和实际意义。

二、PCB散热设计的原则与策略散热设计原则在进行PCB散热设计时,应遵循以下原则:(1)合理布局:根据元器件的发热量和工作特性,合理布局元器件,以减少热量在PCB上的积聚。

(2)优化导热路径:通过合理的导线布局和层叠设计,优化导热路径,提高热量的传递效率。

(3)降低热阻:采用低热阻材料,如导热性能好的金属或导热胶,降低热量在PCB内部的传递阻力。

散热设计策略针对PCB散热问题,可采取以下策略:(1)增加散热面积:通过增大PCB表面积或增加散热片等方式,提高散热效果。

(2)采用散热孔:在PCB上设置散热孔,利用对流散热原理,加速热量的散发。

(3)主动散热:结合风扇、散热器等主动散热设备,提高PCB的散热能力。

三、PCB散热设计的关键因素元器件选型元器件的选型直接影响到PCB的散热性能。

在选择元器件时,应充分考虑其发热量、工作温度和耐温范围等因素,尽量选择低功耗、耐高温的元器件。

PCB材料PCB材料的导热性能对散热效果具有重要影响。

在选择PCB材料时,应关注其导热系数、热膨胀系数等关键参数,以确保PCB具有良好的散热性能。

PCB布局与布线PCB的布局与布线对散热效果具有显著影响。

合理的布局可以减少热量在PCB上的积聚,而优化的布线可以降低热阻,提高热量的传递效率。

四、PCB散热设计的优化方法仿真分析利用仿真软件对PCB的散热性能进行模拟分析,可以预测PCB在不同工作条件下的散热效果,为优化设计提供依据。

实验验证通过实验验证仿真分析的结果,可以进一步了解PCB的散热性能,并针对存在的问题进行改进。

设计迭代根据仿真分析和实验验证的结果,对PCB散热设计进行迭代优化,以提高其散热性能。

试论印制电路板(PCB)散热方案的优化

试论印制电路板(PCB)散热方案的优化
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试论 印制 电路板(C ) P B 散热方案 的优化
O h r t dc r utb a d( CB o tmia ino e t ntepi e i i o r P ) pi z t f a n c o h 毕 胜
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( 海南大学 三亚学院 ,三亚 5 2 2 ) 7 0 2 要 : 随着 电子技术 的飞速发展 ,电子元器件和设备 的单位 面积 或体积 功率密度 日益提 高,而其带
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在 母板 上 的 模 组 元 件 ,更 是 经 常无 用 武 之 地 ;面
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上温 度升 高的影 响 ,损坏 率就 会更 高 。
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PCB电路板散热设计方案

PCB电路板散热设计方案

PCB电路板散热设计电子设备工作时产生的热量,使设备内部温度迅速上升,若不及时将该热量散发,设备会持续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。

因此,对电路板进行散热处理十分重要。

一、印制电路板温升因素分析引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化。

印制板中温升的2种现象:(1)局部温升或大面积温升。

(2)短时温升或长时间温升。

在分析PCB热功耗时,一般从以下几个方面来分析。

1.电气功耗(1)分析单位面积上的功耗。

(2)分析PCB电路板上功耗的分布。

2.印制板的结构(1)印制板的尺寸。

(2)印制板的材料。

3.印制板的安装方式(1)安装方式(如垂直安装,水平安装)。

(2)密封情况和离机壳的距离。

4.热辐射(1)印制板表面的辐射系数。

(2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度。

5.热传导(1)安装散热器。

(2)其他安装结构件的传导。

6.热对流(1)自然对流。

(2)强迫冷却对流。

从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径,往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析,只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

二、电路板散热方式1. 高发热器件加散热器、导热板当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。

当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。

将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。

但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。

通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

2. 通过PCB板本身散热目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量使用的纸基覆铜板材。

PCB散热设计(学习总结供参考)

PCB散热设计(学习总结供参考)

PCB散热设计PCB中热量的来源主要有三个方面:(1)电子元器件的发热;(2) PCB本身的发热;(3)其它部分传来的热.在这三个热源中,元器件的发热量最大,是主要热源,其次是PCB板产生的热,外部传入的热量取决于系统的总体热设计。

大功率LED 的基板材料必须有高的绝缘电阻、高稳定性、高热导率、与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的机械强度.基于上述条件,少数金属或合金能满足高热导率、低膨胀系数的要求,但为了保障电绝缘性,需要在金属上涂覆一层高分子聚合物膜或者沉积一层陶瓷膜,如传统的PCB金属基板由金属基片、绝缘介质层和铜泊构成。

绝缘介质层一般采用环氧玻纤布粘结片或环氧树脂,由于绝缘介质层的热导率普遍偏低(树脂类通常低于0。

5W/m.K ),这导致整个器件的散热性能大大降低。

(1)PCB种类LED常见基板通常有四类:传统且非常成熟的PCB、发展中的金属基板(MCPCB)、以陶瓷材料为主的陶瓷基板(Ceramic)、覆铜陶瓷基板(DBC).其中覆铜陶瓷基板是将铜箔直接烧结到陶瓷表面而形成的一种复合基板。

PCB及MCPCB可使用于一般LED应用之产品。

不过当单位热流密度较高时,LED散热基板主要采用金属基板及陶瓷基板两类强化散热。

金属基板以铝(Al)及铜(Cu)为材料,可分为金属基材(metal base)、金属蕊(metal core)。

金属基板制程尚需多一道绝缘层处理,目前全球主要散热绝缘胶厂商以美商及日商为主。

另一类是采用AlN、SiC、BeO等绝缘材料为主的陶瓷基板,由于本身材料就已经绝缘,因此不需要有绝缘层的处理。

此外,陶瓷基板所能承受的崩溃电压,击穿电压(Break-down voltage)也较高,此外,其热膨胀系数匹配性佳,可减少热应力及热变形产生也是优点,可以说相当适合LED应用,目前确实已经有相当多LED产品采用,但目前价格仍贵,约为金属基板的2~3倍。

过去由于LED输出功率较小,因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板,并不会造成太大的散热问题,但应用于照明用的高功率LED,虽芯片面积相当小,整体消费电力也不高,不过单位面积的发热量却很大。

一种具有散热功能的多层PCB线路板

一种具有散热功能的多层PCB线路板

专利名称:一种具有散热功能的多层PCB线路板专利类型:实用新型专利
发明人:尹国强,雷仁庆,钟晓环
申请号:CN202121317475.5
申请日:20210611
公开号:CN215872000U
公开日:
20220218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本申请公开了一种具有散热功能的多层PCB线路板,涉及电子元件领域,包括基材层、芯片、散热层和连接组件,所述散热层安装在基材层的顶部,且散热层的顶部还设有铜箔层,所述芯片安装在铜箔层的顶部,所述连接组件呈矩阵设置在铜箔层的四角,且连接组件的底端贯穿铜箔层、散热层与基材层延伸至基材层外。

本实用新型的优点在于:本实用新型结构简单、紧凑并且合理,装配方便快捷,连接可靠,芯片可以有效的与外部空气隔离,提高了产品的整体电性能,并且提高了PCB 板的散热性能,延长了PCB板的使用寿命,大大提高了PCB板工作的可靠性。

申请人:博罗康佳精密科技有限公司
地址:516166 广东省惠州市博罗县泰美板桥工业区
国籍:CN
代理机构:北京国昊天诚知识产权代理有限公司
代理人:林怡妏
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PCB电路板散热设计方案

PCB电路板散热设计方案

PCB电路板散热设计电子设备工作时产生的热量,使设备内部温度迅速上升,若不及时将该热量散发,设备会持续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。

因此,对电路板进行散热处理十分重要。

一、印制电路板温升因素分析引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化。

印制板中温升的2种现象:(1)局部温升或大面积温升;(2)短时温升或长时间温升。

在分析PCB热功耗时,一般从以下几个方面来分析。

1.电气功耗(1)分析单位面积上的功耗;(2)分析PCB电路板上功耗的分布。

2.印制板的结构(1)印制板的尺寸;(2)印制板的材料。

3.印制板的安装方式(1)安装方式(如垂直安装,水平安装);(2)密封情况和离机壳的距离。

4.热辐射(1)印制板表面的辐射系数;(2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度;5.热传导(1)安装散热器;(2)其他安装结构件的传导。

6.热对流(1)自然对流;(2)强迫冷却对流。

从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径,往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析,只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

二、电路板散热方式1. 高发热器件加散热器、导热板当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。

当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。

将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。

但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。

通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

2. 通过PCB板本身散热目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量使用的纸基覆铜板材。

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空间PCB散热分析与优化设计陈粤,吕树申*(中山大学化学与化学工程学院, 广州, 510275)摘要:本文通过对应用于航天器的PCB(Printed Circuit Board)电路板进行热分布分析,借助I-deas/TMG软件对PCB进行建模,研究了辐射在PCB散热中的角色、散热铜板层数优化以及表面辐射率(也称黑度)对散热的影响。

结果表明,增强热传导(即增加铜板厚度)可防止PCB局部温度过高;辐射的作用在高温时明显,而低温时较弱;表面发射率对散热的影响也随温度的降低而减小。

关键词:PCB;I-deas/TMG;辐射散热;传导散热1.前言随着以集成电路及芯片为主的微电子机械系统在信息、工业、汽车、消费电子等领域的应用越来越广泛,高功率、微型化、组件高密度集中化的趋势也在迅速普及,其中散热效果已成为决定其产品的稳定性及可靠度的重要因素。

一般而言电子元器件的工作可靠性对温度极为敏感,器件温度在70-80℃水平上每增加1℃,可靠性就会下降5%[1],因此热控制方案成为电子产品的开发和研制过程中需要充分考虑的关键技术问题[2]。

I-deas/TMG现在称为“NX MasterFEM TMG Thermal”,是UGS系列注册软件之一“I-deas NX Series”的一个内置模块[3]。

NX Master FEM TMG是一个全面的传热仿真程序,它采用先进的有限元分析方法建立非线性、瞬态热交换问题的模型,采用3维建模思想,创建和关联几何与热分析有限元模型,快速精确地求解复杂的传热问题[4]。

本文应用I-deas/TMG对在空间运行的电子系统中的PCB电路板进行热分布分析,主要研究辐射系数和散热铜板的层数在电路布置和整体散热中的作用、对温度分布的影响(没有考虑地面对流的影响),并对整个电路板所在箱体进行了系统优化设计。

2.模型介绍:2.1PCB热模型描述待模拟的PCB板(简称“热板”)是机箱内一系列PCB电路板组中发热量最大的一块,被装配在最靠近箱壳的一面,并将其发热量较大的一面(正面)朝向温度较低的箱壳,以加强散热。

为了简化模拟,截取了机箱中最具代表性的一部分作为“简化模型”来进行模拟(即从箱壳到“热板”相邻的另一PCB板之间的箱体空间)。

图1为机箱简化模型图。

“简化模型”为长方体,底面为“热板”相邻的PCB板,其温度设为恒定20℃;其他五个面为箱壳,温度为0℃;“热板”位于中部,介于箱壳与另一PCB之间,板间距为20mm。

_____________________________基金项目中山大学化学与化学工程学院第六届创新化学实验与研究基金项目(批准号:200621)第一作者陈粤(1983年出生),男,中山大学化学与化学工程学院化学工程与工艺专业2002级图Ⅰ 机箱简化模型图,中间为“热板”且正面朝上,底面为另一PCB 板。

(a )正面 (b )反面图Ⅱ 元件分布图(红色部份为工作的发热元件)。

如图2所示,PCB 板正反两面均分布许多电子元件,根据尺寸及发热情况对其进行模型化。

整理得到PCB 正面排布9路元件组,中央区为DCDC ;背面排布6路开关电路。

PCB 工作时正面有三路元件组同时运行,背面一路开关电路协助工作。

本文模拟了其发热最集中的工作模式,即正面三路集中分布于电路密集区域,背面一路也位于正面工作电路的对应背面。

PCB 板的两端为冷端,并设定温度值为0℃,传导热量流入此Heat Sink 。

除了传导散热外,PCB 还通过箱体内壁以及相邻PCB 板的交换辐射进行热疏导。

2.2 TMG 传热模型描述TMG 支持三种类型的切割方式:3维体切割、2维面切割和1维梁切割。

进行切割前需定义材料性质参数(其中导热系数为热传导模拟必须参数,若考虑辐射,则仍需定义发射率),并于切割时与单元相关联。

本模型假设PCB 基板由多层铜板(单层厚度为0.0165mm )复合而成,铜导热系数为340W/mK ;电子元件材料导热系数采用经验值34W/mK 。

对于基板,用Surface by Boundary 命令设定平面,以此代替厚度为2mm 的基板,然后采用shell mesh 进行面切割,厚度定义为n*0.0165(具体厚度分别取不同n 值)。

电子元件的切割采用solid mesh 和 shell mesh 相结合的方法进行切割,采用shell mesh是考虑到进行辐射传热时,需要元件表面有一层平面单元。

而电子元件与基板间的接触热阻用Thermal Coupling进行定义,单个元件接触热阻值为0.7K/W。

发热定义根据模拟情况,逐个用Thermal Boundary Condition进行基于几何形状的定义,设置相应Heat Load值;冷端也采用同样方法设置Temperature等于0℃[6]。

辐射的模拟,借助了箱体。

PCB板置于箱体中部,整个箱体与PCB板定义为同一个FEM。

根据模拟情况对箱体六个面(其中一个面模拟发热量较低的另一块PCB板)进行面切割,定义面切割厚度为6*0.0165,材质为铜,导热系数为340W/mK。

并用Thermal Boundary Condition根据模型设定各个面温度。

检查单元Z方向:其中箱体各个面的单元Z方向朝向箱体内部;中间PCB上元件的平面单元Z方向向外;PCB基板单元朝向垂直于平面。

用Reverse Sides定义PCB基板具有反面辐射能力,并定义其相关辐射参数与正面相同。

设定一个Radiation Request,并选定其为“All Radiation”[7]。

进行FEM(有限元分析)切割后模型如图3所示。

(a)PCB板FEM模型(b)箱体与PCB板接合后的FEM模型图ⅢPCB板FEM模型及考虑辐射箱后FEM模型。

3.结果与分析3.1元件分布对温度分布的影响PCB板正面共有9路工作电路,正常工作时有3路在运作,当三路运作的电路集中分布和分散分布时PCB板的温度分布及最高温度是不同的。

通过TMG的模拟,给出了形象的温度分布情况及最高温度值。

图4(a)为PCB正面三路工作电路分散工作情况示意图及热分析结果温度分布图,图4(b)为模拟正面三路工作电路“集中分布工作”时的温度分布情况,皆未考虑辐射,且两图的基板均为6层铜板即厚度为0.099mm。

由图4(a)与图4(b)可见:分散分布时,最高温度位于PCB板中部,工作电路所在区域温度高于未工作电路区,温度向两个冷端递减,未考虑辐射时PCB最高温度为24.5℃;而集中分布时,最高温度位于三路集中分布的工作电路区域,温度依次向两个冷端递减,未考虑辐射时PCB的最高温度为40.3℃。

由此看出,设计PCB电路时,在满足电子性能的前提下让高发热电路尽量分散,并使发热量大的电子元件尽量靠近冷端,则可让PCB整体温度均匀分散并保持在较低的温度水平。

(a ) 正面三路工作电路分散分布工作情况示意图及温度分布图(b )正面三路工作电路集中分布工作情况示意图及温度分布图图Ⅴ 不考虑辐射与考虑辐射最高温度与 图6 不同基板厚度下发射率与最高温度关系铜板厚度的关系图3.2板层厚度与辐射之间的关系通过不同层数的铜基板的模拟探讨基板铜厚度对散热的影响。

单层铜板厚度为0.0165mm,基板铜厚度为n*0.0165;辐射发射率e=0.9,模拟结果如图5所示。

图5示出,层数较少时,板传导性能降低,局部聚集的热量没法通过传导带走,温度上升到较高层次,随着温度的上升,辐射便得到加强,辐射起到散热的主要作用。

而层数增大,传导加强后,生成的热量很快被带走,温度下降,辐射强度降低,热量的疏导主要由传导承担。

而板的传导非常好,以至板温度低于环境时,辐射反而成为PCB板的热源。

故基板传导性能差,温度在较高时,辐射强烈;铜板传导性较好时,温度能降至较低,此时辐射对热疏散贡献不明显;基板传导优化到一定程度即可,若再进一步优化传导,其作用不明显。

若PCB板需要维持在较低温度,需加强基板热传导来实现。

3.3辐射发射率的影响本小节通过模拟不同发射率下基板的最高温度,探讨发射率对不同厚度基板散热的影响,模拟结果如如图6示。

可见基板传导性能较好,温度不高情况下,增大发射率(可通过在表面涂特制漆)对传热优化并不明显;而若基板传导性能较差、基板温度高时,增大发射率对散热有较明显作用。

4.结论本文采用I-deas/TMG对太空中应用的PCB电路板进行热分析。

结果表明,增加PCB 板热传导性能有助于防止部分高功率电子元件温度过高。

当电子设备温度要求苛刻时,如40℃以下,采用6层铜板(厚度为0.099mm)可以有效实现;而一般的电子设备可采用3层(0.099mm)铜板即实现最高温度70℃左右。

辐射在PCB板温度较高时能起到明显散热作用,而低温下作用不明显。

增大基板表面发射率在PCB板传导性较差时,能较明显的加强散热。

在采用6层铜板时,若从0改善至0.9可实现8.5℃的温度降低;在采用4层铜板时,当发射率改善至0.9后,将比发射率为0时有26.9℃的降低。

但基板温度较低时,发射率的增大对散热作用较小。

参考文献[1] 齐永强,何雅玲,张伟等.电子设备热设计的初步研究.现代电子技术,2003,(1): 73~79.[2] 谢德仁.电子设备热设计工作点评.电子机械工程,1999,(1): 27~28.[3] TMG Thermal Analysis User's Guide, I-DEAS 11m1 NX Series, UGS PLM Solutions Inc., Plano, Texas.[4] 陶文铨.计算传热学的近代进展.科学出版社,2005: 400~409.[5] 叶宏.NX MasterFEM热分析教程.北京:清华大学出版社,2005.10[6] Seung-Yo Lee, Lingyin Zhao, J.D. van Wyk, et al, “Thermal Analysis for Series LC Integrated Passive Resonant Module Basedon Finite-Element Modeling,” Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual, V olume 2, 23-27 June 2002 Page(s):1009 - 1014 vol.2[7]Philippe Feautrier, Eric Stadler, Pascal Puget, “Interest of thermal and mechanical modeling for cooled astronomicalinstruments: the example of WIRCam,” Proc. SPIE V ol. 5497, p. 149-160Simulation and Thermal Optimizing Design of PCB Working 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 PCB’s surface on the radiation and the optimized copper board layers have been computational studied in detail. The results show that the PCB’s local overheated can be effectively prevented when enhancing the conductivity or increase the copper layers, and the radiation is robust when temperature is higher, while week when temperature is lower. The effect of emissivity on the heat dissipating becomes weaker with the temperature lowering.[Key words]:PCB; NX MasterFEM/TMG; Radiation; Conduction。

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