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Analyse de la fiabilité thermique par éléments finis des composants clés des PCB
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Analyse de la fiabilité thermique par éléments finis des composants clés des PCB

Analyse de la fiabilité thermique par éléments finis des composants clés des PCB

2022-07-15
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Author:pcb

Avec la miniaturisation de l'électronique, Chaud PCB board Le design devient de plus en plus important. Augmentation de la température des composants en raison de la petite taille et de la disposition compacte, Cela réduit considérablement la fiabilité du système. Donc,, Du principe du transfert de chaleur, 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. Les champs de température des PCB de différentes configurations sont calculés à l'aide d'exemples numériques., Une méthode de mise en page plus raisonnable est obtenue par comparaison. Optimiser la disposition, Réduire la température du moteur PCB board, Et améliorer la fiabilité du système.

PCB board

1 Introduction

La miniaturisation des équipements électroniques rend la disposition des PCB de plus en plus compacte. Cependant, la disposition déraisonnable des PCB affecte gravement la trajectoire de transfert de chaleur des composants électroniques sur les panneaux, ce qui entraîne une défaillance de la fiabilité des composants électroniques en raison de l'augmentation de la température. En d'autres termes, la fiabilité du système est considérablement réduite. Cela fait également monter la température du PCB à une certaine hauteur. Selon les rapports, 55% des facteurs de défaillance de l'équipement électronique sont causés par des températures supérieures aux valeurs spécifiées. Ainsi, pour les équipements électroniques, le taux de défaillance de leurs équipements sera considérablement réduit, même si la température est réduite de 1 °C. Par exemple, les statistiques montrent que le taux de défaillance de l'équipement électronique de l'aviation civile diminue de 4% pour chaque centigrade inférieur. On peut voir que le contrôle de l'élévation de température (conception thermique) est un problème très important. La chaleur sur les circuits imprimés provient principalement d'éléments consommateurs d'énergie tels que les transformateurs, les transistors de haute puissance et les résistances de haute puissance. Leur consommation d'énergie se dissipe principalement dans les milieux environnants sous forme de conduction thermique, de Convection et de rayonnement, et seule une petite partie se dissipe sous forme d'ondes électromagnétiques. Par conséquent, afin d'améliorer la stabilité et la fiabilité des composants électroniques sur les PCB, il est nécessaire de comprendre clairement la consommation d'énergie des composants clés sur les PCB et la distribution du champ de température sur les PCB afin d'obtenir une disposition raisonnable. Dans la simulation thermique, la méthode des éléments finis ou la méthode des différences finies sont généralement utilisées pour résoudre les équations de transfert de chaleur et de débit de fluide. L'analyse par éléments finis est utilisée dans cet article. Les éléments finis sont plus précis dans la résolution de géométries complexes, ce qui permet d'affiner le maillage dans certaines régions, comme des plaques ou des parties de systèmes plus intéressantes que d'autres, où le maillage peut être affiné et dans d'autres régions. C'est un peu épais. Mais le raffinement du maillage ne peut pas passer directement d'une densité à l'autre et ne peut se faire que progressivement.


2. Principe de base du transfert de chaleur et processus de simulation thermique par éléments finis ANSYS

ANSYS Finite Element Thermal Simulation Process

Dans cet article, le logiciel ANSYS est utilisé pour construire le modèle géométrique, et les méthodes ascendantes et descendantes sont utilisées pour construire le modèle solide. Dans le processus d'établissement du modèle solide, en raison de la structure complexe des composants électroniques, afin de faciliter la Division du maillage et l'exactitude des résultats, le modèle solide peut être simplifié, et 87 unités à 10 noeuds Solid adaptées à la Division irrégulière des unités de forme sont sélectionnées.


3. Solution par éléments finis du champ de température

3.1 exemple d'analyse du champ de température bidimensionnel

Disposition 1: chip1, chip2 côte à côte, chip3 à côté de chip1. La température est de 101,5 °C et 92,7 °C.

Disposition 2: les puces 1 et 2 sont côte à côte d'un côté du PCB et la puce 3 de l'autre côté du PCB. La température est de 90 °C et 70,7 °C.


3.2 analyse comparative

1) en comparant les résultats de l'analyse des deux champs de température simulés finaux, il est clair que la température et la température de la disposition 2 ont été considérablement réduites (environ 10 ˆ ½ 20 ƒ), ce qui est très impressionnant pour la fiabilité thermique des électrons. Par exemple, les statistiques montrent que le taux de défaillance de l'équipement électronique de l'aviation civile diminue de 4% pour chaque centigrade inférieur. On peut voir que le contrôle de l'élévation de température (conception thermique) est un problème très important. Afin d'améliorer la fiabilité de l'équipement.

Les deux diagrammes de distribution du champ de température reflètent le même problème: lorsque les composants sont distribués intensivement, le champ de température est irrégulier et il n'est pas possible de déterminer les zones de haute et de basse température. Par conséquent, lors de la disposition des PCB, il convient d'accorder toute l'attention voulue aux zones denses d'éléments consommateurs d'énergie, dans lesquelles, dans la mesure du possible, les éléments moins sensibles à la chaleur ne doivent pas être placés ou placés.

Le coefficient de transfert de chaleur par convection dans l'analyse par éléments finis est différent pour différentes valeurs de composants. Si seulement les résultats des mesures ponctuelles sont utilisés pour le calcul, la valeur H sera très faible, de sorte que certaines corrections doivent être apportées. La valeur H de la consommation d'énergie est légèrement plus élevée, Les résultats calculés sont ensuite comparés aux résultats mesurés et la valeur de H est continuellement ajustée jusqu'à ce qu'elle soit essentiellement cohérente.

Dans différentes distributions de champ de température, bien que la couleur affichée soit la même, les valeurs de température représentées par la même couleur sont différentes. Ils sont utilisés pour indiquer les tendances de la zone de haute température à la zone de basse température.

Les conditions limites sont également très importantes et doivent être correctes lors de la modélisation.


3.3 exemple d'analyse du champ de température 3D

Il y a trois puces sur le PCB, la disposition et tous les paramètres sont les mêmes que 2.


4. Conclusion et analyse

À première vue, les résultats de la simulation tridimensionnelle du champ de température ne sont pas aussi bons que ceux de la simulation bidimensionnelle, mais ce n'est pas le cas. La température affichée dans la simulation 3D est la position de la matrice du composant, où la température est en fait supérieure à la température de surface du composant. Par conséquent, les résultats de la simulation de la disposition 2 sont raisonnables.

2) Les modèles 3D sont plus complexes. Pour l'exactitude des résultats de la simulation, le matériau de la puce peut être considéré comme trois couches de matériaux différents pour simplifier le modèle.

3) The establishment of the 3D model and the processing of the results consume a lot of energy and time, Les exigences en matière de matériaux et de structures sont plus détaillées et plus spécifiques que le modèle 2D.. Bien que la simulation 3D puisse obtenir plus d'informations, 2d permet également d'obtenir rapidement une distribution approximative du champ de température. Donc,, Dans la pratique, Les deux approches peuvent être basées sur PCB board Situation concrète.