毕业论文答辩-复杂 PCB的热流场建模与分析.pptx

复杂PCB热流场建模与分析,答辩：指导老师：,课题及背景介绍,电子设备的主要失效来自于热失效，随着温度的增加，元器件的失效率成指数增长，据统计，电子设备的失效有55%是温度超过额定值引起的。,电子设备的热可靠性,电子设备的热负荷,电子设备结构高度紧凑化，元器件间的排布越来越密集，无法利用自然对流散热。,电子元器件不断向微小化和高集成度发展，导致热量集中。,对芯片高频率需求逐渐增大，功率迅速提高。,课题及背景介绍,电子设备的冷却技术：,国内外发展现状,自然冷却技术,强迫风冷技术,液冷技术,相变冷却技术,热分析技术：,核心算法仍集中于基于流体力学和传热学的数值计算方法,半解法,矩阵法,计算机仿真技术：THERM、ICEPAK,论文的主要研究内容,研究过程确定PCB热特性、分析不同参数对PCB热特性的影响、优化PCB散热性能。,仿真、评估、优化,建立PCB基本热模型，求解PCB温度场。,评估不同边界条件对PCB热特性的影响。,评估IC功率、封装参数、布局方式对PCB热特性的影响。,评估PCB内层铜皮厚度和热过孔对PCB热特性的影响。,以上述评估为基础，确定PCB散热性能优化方案、提出合理可行的热设计、使PCB温度保持在安全的范围内。,相关理论基础,传热学原理,两个相互接触并具有温差的物体或物体内部进行换热,流体与与其相接触的固体发生相对位移时产生的热量传递。,物体由于热的原因向外以电磁波的形式发射能量。,风扇对PCB热特性的影响,PCB建模,PCB板建模-PCB板外观尺寸为130mm125mm2mm，8层板设计，导入走线分布，覆铜率设为常量。,PCB建模应该对模型进行合理的简化。,IC建模简化IC，选取主要发热IC建模。,PCB建模,热仿真模型,Y视图,Z视图,复杂PCB的热分析,环境温度对PCB热特性的影响,边界条件环境温度分别为-30、25、80和125。,复杂PCB的热分析,环境温度对PCB热特性的影响,结论在-30至125之间，环境温度对芯片结点温度的影响呈线性变化，并且各芯片的变化趋势具有近似斜率，即它们的温度变化梯度近似相等。,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,IC布局方式对PCB热特性的影响,当芯片过于集中时，温升增加，温度分布也更为集中；而位于PCB下方的芯片能获得更好的散热效果。,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,功耗变化对PCB热特性的影响,待机状态下PCB温度很低，只有少量发热。,普通使用状态下PCB发热较低。,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,结论IC功率对PCB热特性有较大影响，PCB总功率对PCB最高结点温度的影响是呈线性的。,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,IC封装材料对PCB热特性的影响,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,IC封装材料对PCB热特性的影响,塑封EMC,Al2O3,AlN,BeO,Kovar,Cu,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,结论封装材料导热率与PCB最高结点温度的关系近似反比例函数，PCB最高结点温度随芯片封装导热率的增加而减小，封装材料的导热率对PCB温度的影响力也逐渐减小。,复杂PCB的热分析,PCB内部热源对PCB热特性的影响,IC布局对PCB热特性有影响，应将大功率密度的IC放置PCB下方。,功率对PCB热特性有较大影响，应该给予重点考虑。,IC封装对PCB热特性有一定影响，可使用导热率为130的材料。,复杂PCB的热分析,PCB结构对PCB热特性的影响,内层铜皮厚度对PCB热特性的影响,PCB尺寸保持不变，四层板，其中两层内层的厚度相同，表层铜皮厚度为2OZ，含铜量为15%，有尺寸为17mm17mm、功率3W的热源放置在PCB中心。内层铜皮厚度为0.1OZ-3OZ。,复杂PCB的热分析,PCB结构对PCB热特性的影响,结论随着内层铜皮厚度的增加，PCB的降温效果逐渐明显，但当内层铜皮厚度增加至1.5OZ后，内层铜皮厚度对热特性的影响有限。,复杂PCB的热分析,PCB结构对PCB热特性的影响,热过孔对PCB热特性的影响,芯片下方热过孔个数为0个、1个、4个、9个，热过孔间距50mil，孔外径分别为1mm、内径为外径的二分之一，孔壁覆有0.5mm厚的纯铜。,复杂PCB的热分析,PCB结构对PCB热特性的影响,结论当热过孔增加时，最高结点温度逐渐降低，近似线性关系。,复杂PCB的热设计,方案一：改进IC布置方式,默认状态下PCB温度分布。,优化后PCB温度分布。,扩大U1U4之间的间距，并将U5、U6移到PCB下方。,复杂PCB的热设计,方案二：改进IC封装材料,使用氧化铝陶瓷（导热率25W/(mK)）作为IC封装材料。,复杂PCB的热设计,方案三：改进PCB内层铜皮厚度,将内层铜皮厚度设为1.5OZ。,复杂PCB的热设计,方案四：为芯片添加热过孔,对U1、U5、U6和U7分别增加4个外径为1mm、内径为0.5mm的通孔为热过孔，孔壁覆有0.5mm厚的纯铜。,复杂PCB的热设计,方案五：为PCB添加散热器,U1使用铜柱散热器，U5、U6、U7使用铝制散热片。,复杂PCB的热设计,方案四：为芯片添加热过孔,复杂PCB的热设计,优化前后对比,价值可发现，经过该PCB最初最高结点温度为143且有三颗芯片温度超过100，优化后最高结点温度仅为69，其余芯片最高结点温度均保持在60左右。,PCB热可靠性得到显著提高！,结论,当环境温度在-30125时，PCB最高结点温度与环境温度呈线性关系,优化前后对比,芯片布置方式对PCB最高结点温度有较大影响，当芯片放置在PCB下方时，可得到更好的散热,芯片间距过短易产生复杂的热耦合现象，使芯片结点温度升高，同时气流不易通过，不利于散热,芯片的功率对PCB结点温度有较大影响，PCB最高结点温度随芯片功率增加而增加，呈线性关系,随着封装材料导热率的增加，PCB最高结点温度逐渐降低，但当导热率达138W/(mK)后，PCB温度基本不受封装的导热率的影响,由于铜的导热率较高，增加内层铜皮厚度能增强PCB平面方向的导热能力，使PCB平面上的温度梯度降低，有利于散热,热过孔孔壁覆铜，能增强PCB法线方向导热能力，使芯片热量通过热过孔导出，热过孔数量越多，降温效果越明显,由于散热器紧贴芯片顶面，使芯片产生的热量通过散热器传递，而散热器有较大的表面积，更适合自然对流散热,总结和自我评价,论文工作优点与不足,本文通过对复杂PCB的热流场分析，确定影响PCB结点温度的几大方面，针对这些问题进行热设计，优化PCB散热效率，得出最佳热设计方案。,存在的问题和局限性,研究方面的进步和提高,从环境温