集成电路板热场分析及其结构改进设计

集成电路板热场分析及其结构改进设计
摘要：集成电路做为现在必不可少的电子设备，在使用过程中常常面临发热、温度过高等问题，能否有效散热，控制工作温度直接关系到整个设备的性能。

高集成度的电路、处理器等大多会用金属盒等进行封装，再紧贴散热板对其散热，以降低其在使用过程中的温度，散热结构、材料、工况直接关系到散热效率。

因此本文对简化的接触散热结构建立了计算模型，进行了几种工况下的稳态和瞬态热场仿真分析。

结果表明，采用合理的散热机构和材料表面处理方法、控制工作环境等，可有效控制集成电路的工作温度。

关键词：集成电路盒；散热结构；热场仿真；结构优化
Thermal Field Analysis and Structure Improvement Design of Integrated Circuit Board
Qu jianfei1，Yuan rui1，Peng zhi1
（1.Yichang Testing Technique research Institute. Yichang，
Hubei,China ）
Abstract:As an essential electronic equipment now, the integrated circuit is often faced with the problems of heating and too high temperature in the process of use. Whether it can effectively dissipate heat and control the working temperature is directly related to the performance of the whole equipment. High integration of
circuits and processors will mostly be packaged with metal boxes, and then close to the heat dissipation plate, in order to reduce the temperature in the process of use, heat dissipation structure, materials, working conditions are directly related to the heat dissipation efficiency. Therefore, this paper establishes the calculation model for the simplified contact heat dissipation structure, and analyzes the steady-state and transient thermal field simulation under several working conditions. The results show that the
working temperature of the integrated circuit can be effectively controlled by using the reasonable heat dissipation mechanism and controlling the working environment.
Keywords: Integrated circuit box; Radiation structure; Thermal field simulation; Optimum structure
1 引言
对于电子产品而言，温度过高是其失效的主要原因之一，电子设备长期处于苛刻的热环境下工作会使其性能、甚至使用寿命极大地下降，以至于不能可靠工作[1]；研究表明，55%的电子设备失效是由温度过高引起的，过热是电子设备损坏的主要形式，在设计过程中通过热场分析及仿真能够发现产品的散热缺陷，进而有针对性地改进其结构，避免散热不良的问题，提高电子产品可靠性[2-3]。

2 计算模型
计算模型主要由封装集成电路（热源）和安装板（散热板）组成，封装尺寸50mm×30mm×5mm，通过螺钉固定在安装板上，其中的一个端面与安装板充分接触，如图1所示；电路板最大功率为50W，环境温度为定值。

表1给出了仿真模型的功率和材料参数。

图1 计算模型
表1 计算参数
名集安
称成电路
盒
装板
功
耗
（W）
500
材料
2A
12铝合
金
2A1
2铝合金
ANSYS仿真过程中，网格的划分质量直接决定了求解计算的精度是否可以收敛，本文模型采用四面体、六面体网格混合划分，如图2所示，网格单元数量约
为2800；对模型进行稳态热分析，模型初始温度22℃，模拟最恶劣的外部环境
条件进行计算，即电路板暴露于空气中进行工作，没有风扇等强迫对流换热方式，仅采用自然对流方式换热，环境温度取25℃，35℃两种工况，其中自然空气对流换热系数取1.5×10-5（W·mm-2·℃-1）[4]；考虑辐射换热，对于铝合金而言，其
发射率取决于表面抛光及氧化程度，取值在0.02～0.4不等，本文计算工况中发
射率取0.2、0.4，分别对应铝合金表面抛光且轻微氧化和表面严重氧化的情况[5-6]，计算工况如表2所示。

表2 计算工况
项目环
境温度（）
对流换热系
数
（）
导热系数
（）
发
射
率
工
况
2 1.5×10-52470
1 5 .2
工
况
2 35 1.5×10-5 247 0
.2
工
况
3 35 1.5×10-5 247 0
.4
图2 网格划分
3 ANSYS 稳态热仿真结果分析
通过上面的模型，分别对表2中的几种工况进行了稳态热仿真，仿真的温度云图和热通量图结果如下：
图3 工况1温度云图
图4 工况2温度云图
图5 工况3温度云图
由图3、图4和图5所示温度云图可知，电路板发热明显，环境温度25℃、35℃时，温度最大值分别为118.83℃和128.26℃，而电路板耐受温度约为90℃，因此实际中应避免电路板在此条件下进行工作。

对比两种工况可知，环境温度对
电路板散热影响较大，可以考虑空调制冷的方式控制环境温度，提高换热效率，
环境温度25℃相对于35℃时电路板整体温度下降约10℃。

图6 工况1热通量图
图7 工况2热通量图
图8 工况3热通量图
图6、图7和图8热通量图表明，电路板的热量传递方式以热传导为主，电
路板通过接触面将热量传递给安装板，安装板再与空气进行对流换热将热量散发
出去。

应尽量保证接触面光滑平整，保证接触充分，或增大接触面积，能有效提
高散热效率。

工况2、3对比看出，对于非接触面，在材料表面处理时通过进行
氧化处理能增大表面粗糙度，降低辐射换热热阻；可通过优化散热片结构的方式，增大散热片与环境的接触面积，必要时可采用风冷、水冷等方式增加对流，提高
辐射散热能力。

表3 稳态计算结果
项目
最高温度
（℃）
最低温度
（℃）
最大热通量
（）
工况
118.83109.560.18010
1
工况
128.26118.990.18016
2
工况
121.97112.740.18081
3
4 ANSYS瞬态热仿真结果分析
对模型进行瞬态热分析能够观察其温度随时间的变化关系。

在实际使用中通过控制电路板工作时间，可以有效防止其过热。

通过上面的模型，分别对表2中的几种工况进行了瞬态热仿真，计算时间为6分钟，仿真结果如下：
图9 工况1温升曲线
图10 工况1热通量图（240s）
图11 工况2温升曲线
图12 工况2热通量图（240s）
图13 工况3温升曲线
图14 工况3热通量图（240s）
在实际使用时，电路板满功率连续工作时间不会太长，根据上面仿真结果，表4列出了电路板连续工作一定时间（4分钟）时的温度结果，三种工况下最高温度均不超过80℃，满足安全使用要求。

表4 瞬态计算结果
项目最高温
度（℃）
最低温度（℃）
工
况
1
66.96757.355
工
况
2
70.72061.155
工
况
3
70.42160.873
5 结论
根据集成电路的使用环境，构建了典型工作模式计算模型，对几种较为恶劣的工况下的集成电路盒进行了稳态和瞬态的热仿真分析研究。

得到以下结论：（1）环境温度对集成电路盒散热影响较大，可以考虑空调制冷等方式控制环境温度，提高换热效率，可有效控制电路板的工作温度。

（2）电路板的热量传递方式以热传导为主，应尽量保证封装电路与散热板的接触面光滑平整、接触充分，或增大接触面积，可效提高散热效率，控制电路板的工作温度。

对于散热片与电路盒的非接触面，可通过氧化处理等方式增大材
料表面粗糙度，从而降低辐射换热热阻、提高辐射散热能力；也可通过增大散热
板与环境的接触面积等，均有助于控制电路板的工作温度。

（3）应对电路板的连续工作时间进行控制，在非必要的情况下可适当降低
功率，必须全功率工作的情况下可采用间歇工作的模式，适当减少连续工作的时间，可有效控制电路板的温度。

参考文献：
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[2]马晶晶，赵晋峰等.热电池的电化学仿真和热仿真研究进展.电源技术，2013,36,6：1184-1186
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[4]Tony A．Asghari．A Transient Thermal Analysis Using a
Simplified Heat Transfer Coefficient Model．Intemational Symposium on Advanced PackagingMaterials．2001，366—371
[5]Li Wenshi，Zhao Heming，Liu Biao．3D—SoC Analytical Computing and ANSYS Simulation for Thermal Analysis and Design．Chinese journal
of Electronics，2006，15(2)：217-219
[6]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006：33-
38
作者简介：:屈建飞，省市：湖北省宜昌市，男，1995.07，民族:汉族，学历:硕士研究生，职称:工程师，研究方向:水下机器
人。