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Finite Element thermische Zuverlässigkeitsanalyse von Schlüsselkomponenten auf Leiterplatte
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Finite Element thermische Zuverlässigkeitsanalyse von Schlüsselkomponenten auf Leiterplatte

Finite Element thermische Zuverlässigkeitsanalyse von Schlüsselkomponenten auf Leiterplatte

2022-07-15
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Author:pcb

Da elektronische Geräte weiterhin miniaturisiert werden, thermisch Leiterplatte Design wird immer wichtiger. Die geringe Größe und kompakte Anordnung führen zu einem höheren Temperaturanstieg der Bauteile, Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Systems erheblich reduziert. Aus diesem Grund, ausgehend vom Prinzip der Wärmeübertragung, this paper uses ANSYS finite element software to analyze the temperature field distribution of key components on the printed circuit board (PCB) during operation and determines the high-temperature area and low-temperature area of the PCB. Das Temperaturfeld von Leiterplatten mit unterschiedlichen Layouts wird anhand eines Beispiels berechnet, und eine vernünftigere Layoutmethode wird durch Vergleich erhalten. Layout optimieren, die Temperatur der Leiterplatte, und die Zuverlässigkeit des Systems verbessern.

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1 Einleitung

Die kontinuierliche Miniaturisierung elektronischer Geräte macht das Layout der Leiterplatte immer kompakter. Das unangemessene Leiterplattenlayout beeinträchtigt jedoch ernsthaft den Wärmeübertragungsweg der elektronischen Komponenten auf der Platine, was zum Ausfall der Zuverlässigkeit der elektronischen Komponenten aufgrund der Temperaturerhöhung führt. Das heißt, die Systemzuverlässigkeit wird stark reduziert. Dies lässt auch das Temperaturanstiegsproblem der Leiterplatte auf eine bestimmte Höhe ansteigen. Berichten zufolge werden 55% der Fehlerfaktoren elektronischer Geräte durch die Temperatur verursacht, die den angegebenen Wert überschreitet. Daher wird für elektronische Geräte selbst eine Abnahme von 1°C die Ausfallrate ihrer Geräte um ein beträchtliches Maß reduzieren. Statistiken zeigen beispielsweise, dass die Ausfallrate elektronischer Geräte in der Zivilluftfahrt bei jeder 1°C Reduzierung um 4% sinkt. Es zeigt sich, dass die Steuerung des Temperaturanstiegs (thermisches Design) ein sehr wichtiges Thema ist. Die Hitze auf der Leiterplatte ist hauptsächlich auf Leistungsableitungskomponenten wie Transformatoren, Hochleistungstransistoren und Hochleistungswiderstände zurückzuführen. Ihr Stromverbrauch wird hauptsächlich in Form von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung in das umgebende Medium abgeleitet, und nur ein kleiner Teil wird in Form von elektromagnetischen Wellen abgeleitet. Um die Stabilität und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten auf der Leiterplatte zu verbessern, ist es daher notwendig, den Energieverbrauch von Schlüsselkomponenten auf der Leiterplatte und die Temperaturfeldverteilung auf der Leiterplatte klar zu verstehen, um ein angemessenes Layout zu erzielen. Bei thermischen Simulationen werden in der Regel Finite-Elemente- oder Finite-Differenz-Methoden zur Lösung von Wärmetransport- und Strömungsgleichungen eingesetzt. Dieses Papier verwendet Finite-Elemente-Analyse. Das Finite Element ist genauer für die Lösung komplexer Geometrien, so dass das Netz in einigen Bereichen, wie Teilen einer Platte oder eines Systems, die interessanter als andere sind, verfeinert werden kann, während andere Bereiche verfeinert werden. Etwas spärlicher. Aber die Netzverfeinerung kann nicht direkt von einer Dichte zur anderen springen, nur allmählich.


2. Grundlegendes Wärmeübertragungsprinzip und thermischer Simulationsprozess des finiten Elements ANSYS

ANSYS Finite Elemente thermische Simulation

In diesem Beitrag wird das geometrische Modell mit ANSYS Software erstellt, und das Volumenmodell wird mit bottom-up und top-down Methoden erstellt. Bei der Erstellung eines Festkörpermodells kann aufgrund der komplexen Struktur elektronischer Komponenten das Festkörpermodell für die Bequemlichkeit der Netzteilung und die Genauigkeit der Ergebnisse vereinfacht werden, und SOLID87 10-Knoten-Elemente, die für die Aufteilung unregelmäßig geformter Elemente geeignet sind, werden ausgewählt.


3. Lösung des finiten Elements des Temperaturfeldes

3.1 Beispielanalyse des zweidimensionalen Temperaturfeldes

Layout 1: Chip1, Chip2 Seite an Seite, Chip3 neben Chip1 Seite. Die Temperatur war 101,5°C und die Temperatur war 92,7°C.

Layout 2: Chip1, Chip2 nebeneinander auf einer Seite, Chip3 auf der anderen Seite der Leiterplatte. Die Temperatur war 90°C und die Temperatur war 70,7°C.


3.2 Vergleichende Analyse

1) Vergleicht man die Analyseergebnisse der beiden finalen simulierten Temperaturfelder, kann man deutlich feststellen, dass die Temperatur und Temperatur des Layouts 2 stark reduziert wurden (etwa 10â а ½ 20℃), was für die thermische Zuverlässigkeit von Elektronen sehr beeindruckend ist. Statistiken zeigen beispielsweise, dass die Ausfallrate elektronischer Geräte in der Zivilluftfahrt bei jeder 1°C Reduzierung um 4% sinkt. Es zeigt sich, dass die Steuerung des Temperaturanstiegs (thermisches Design) ein sehr wichtiges Thema ist. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Geräte verbessert.

2) Die beiden Temperaturfeldverteilungsdiagramme spiegeln beide das gleiche Problem wider: Wenn die Komponenten dicht verteilt sind, ist die Temperaturfeldverteilung unregelmäßig, und die Hochtemperatur- und Tieftemperaturbereiche können nicht bestimmt werden. Daher sollte beim Verlegen der Leiterplatte die volle Aufmerksamkeit auf den dichten Bereich der Leistungsableitungskomponenten gerichtet werden, in dem keine oder weniger wärmeempfindliche Komponenten so weit wie möglich platziert werden sollten.

3) Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient in der Finite-Elemente-Analyse ist für verschiedene Komponentenwerte unterschiedlich, und wenn nur die Punktmessergebnisse für die Berechnung verwendet werden, ist der h-Wert klein, so dass einige Korrekturen vorgenommen werden müssen. Der h-Wert bei großem Stromverbrauch ist etwas größer. , und dann die berechneten und gemessenen Ergebnisse vergleichen und den h-Wert kontinuierlich anpassen, bis er im Grunde konsistent ist.

4) In verschiedenen Temperaturfeldverteilungen, obwohl die angezeigten Farben gleich sind, sind die Temperaturwerte, die durch die gleiche Farbe dargestellt werden, unterschiedlich. Sie werden verwendet, um den Trend von Hochtemperaturbereichen zu Tieftemperaturbereichen anzuzeigen.

5) Randbedingungen sind ebenfalls sehr wichtig, und die Randbedingungen, die während der Modellierung angegeben werden, müssen korrekt sein.


3.3 Beispielanalyse des 3D Temperaturfeldes

Es gibt drei Chips auf der Leiterplatte, das Layout und alle Parameter sind die gleichen wie 2.


4. Schlussfolgerung und Analyse

1) Auf der Oberfläche ist das dreidimensionale Temperaturfeldsimulationsergebnis nicht so gut wie das zweidimensionale Ideal, aber tatsächlich ist es nicht der Fall. Die in der 3D-Simulation angegebene Temperatur ist die Bauteilmatratzposition, wo die Temperatur tatsächlich höher als die Bauteiloberflächentemperatur ist. Daher sind die Simulationsergebnisse für Layout 2 vernünftig.

2) Das 3D-Modell ist komplexer. Für die Genauigkeit der Simulationsergebnisse kann das Chipmaterial als aus drei Schichten verschiedener Materialien zusammengesetzt betrachtet werden, um das Modell zu vereinfachen.

3) The establishment of the 3D model and the processing of the results consume a lot of energy and time, und die Material- und Strukturanforderungen sind detaillierter und spezifischer als das 2D-Modell. Obwohl 3D Simulation mehr Informationen erhalten kann, 2D kann auch schnell eine ungefähre Temperaturfeldverteilung erhalten. Daher, in der Praxis, Diese beiden Methoden können entsprechend der Leiterplatte spezifische tatsächliche Situation.