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Analisi di affidabilità termica degli elementi finiti dei componenti chiave sulla scheda PCB
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Analisi di affidabilità termica degli elementi finiti dei componenti chiave sulla scheda PCB

Analisi di affidabilità termica degli elementi finiti dei componenti chiave sulla scheda PCB

2022-07-15
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Author:pcb

Mentre i dispositivi elettronici continuano ad essere miniaturizzati, termico Scheda PCB Il design diventa sempre più importante. Le dimensioni ridotte e il layout compatto portano ad un aumento della temperatura dei componenti, riducendo notevolmente l'affidabilità del sistema. Per questo motivo, partendo dal principio del trasferimento termico, 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. Il campo di temperatura dei PCB con layout diversi è calcolato da un esempio, e un metodo di layout più ragionevole è ottenuto per confronto. Ottimizza il layout, ridurre la temperatura del Scheda PCB, e migliorare l'affidabilità del sistema.

Scheda PCB

1 Introduzione

La miniaturizzazione continua delle apparecchiature elettroniche rende il layout della scheda PCB sempre più compatto. Tuttavia, il layout irragionevole della scheda PCB influisce seriamente sul percorso di trasferimento del calore dei componenti elettronici sulla scheda, il che porta al guasto dell'affidabilità dei componenti elettronici a causa dell'aumento della temperatura. Cioè, l'affidabilità del sistema è notevolmente ridotta. Questo fa anche salire il problema dell'aumento della temperatura della scheda PCB a una certa altezza. Secondo i rapporti, il 55% dei fattori di guasto delle apparecchiature elettroniche sono causati dalla temperatura superiore al valore specificato. Pertanto, per le apparecchiature elettroniche, anche una diminuzione di 1 ° C ridurrà il tasso di guasto delle sue apparecchiature di una quantità considerevole. Ad esempio, le statistiche mostrano che il tasso di guasto delle apparecchiature elettroniche nell'aviazione civile diminuirà del 4% per ogni riduzione di 1°C. Si può vedere che il controllo dell'aumento della temperatura (progettazione termica) è una questione molto importante. Il calore sul PCB è dovuto principalmente a componenti di dissipazione di potenza, come trasformatori, transistor ad alta potenza e resistenze ad alta potenza. Il loro consumo energetico viene dissipato principalmente nel mezzo circostante sotto forma di conduzione termica, convezione e radiazione, e solo una piccola parte viene dissipata sotto forma di onde elettromagnetiche. Pertanto, al fine di migliorare la stabilità e l'affidabilità dei componenti elettronici sulla scheda PCB, è necessario comprendere chiaramente il consumo energetico dei componenti chiave sulla scheda PCB e la distribuzione del campo di temperatura sulla scheda, in modo da ottenere un layout ragionevole. Durante la conduzione di simulazioni termiche, i metodi a differenza di elementi finiti o finiti sono solitamente utilizzati per risolvere equazioni di trasporto di calore e flusso fluido. Questo articolo adotta l'analisi degli elementi finiti. L'elemento finito è più preciso per risolvere geometrie complesse, permettendo di affinare la maglia in alcune aree, come parti di una piastra o di un sistema che sono più interessanti di altre, la maglia può essere rifinita in queste aree, mentre altre aree mesh. Un po' più sparso. Ma la raffinatezza delle mesh non può saltare direttamente da una densità all'altra, solo gradualmente.


2. Principio di trasferimento di calore di base e processo di simulazione termica dell'elemento finito ANSYS

Processo di simulazione termica ad elementi finiti ANSYS

In questo articolo, il modello geometrico è creato dal software ANSYS, e il modello solido è creato da metodi bottom-up e top-down. Nel processo di creazione di un modello solido, a causa della complessa struttura dei componenti elettronici, il modello solido può essere semplificato per la comodità della divisione delle maglie e l'accuratezza dei risultati, e vengono selezionati elementi SOLID87 a 10 nodi adatti alla divisione di elementi di forma irregolare.


3. Soluzione dell'elemento finito del campo di temperatura

3.1 Esempio di analisi del campo di temperatura bidimensionale

Layout 1: Chip1, Chip2 fianco a fianco, Chip3 accanto al Chip1 lato. La temperatura era di 101,5°C e la temperatura era di 92,7°C.

Layout 2: Chip1, Chip2 fianco a fianco su un lato, Chip3 dall'altro lato del PCB. La temperatura era di 90°C e la temperatura era di 70,7°C.


3.2 Analisi comparativa

1) Confrontando i risultati dell'analisi dei due campi di temperatura simulati finali, si può chiaramente scoprire che la temperatura e la temperatura del layout 2 sono state notevolmente ridotte (circa 10∽ 20℃), che è molto impressionante per l'affidabilità termica degli elettroni. Ad esempio, le statistiche mostrano che il tasso di guasto delle apparecchiature elettroniche nell'aviazione civile diminuirà del 4% per ogni riduzione di 1°C. Si può vedere che il controllo dell'aumento della temperatura (progettazione termica) è una questione molto importante. Migliorando così l'affidabilità delle apparecchiature.

2) I due diagrammi di distribuzione del campo di temperatura riflettono entrambi lo stesso problema: quando i componenti sono densamente distribuiti, la distribuzione del campo di temperatura è irregolare e le regioni ad alta temperatura e bassa temperatura non possono essere determinate. Pertanto, quando si posa la scheda PCB, occorre prestare piena attenzione all'area densa dei componenti di dissipazione di potenza, dove nessun componente sensibile al calore o meno dovrebbero essere posizionati il più possibile.

3) Il coefficiente convettivo di trasferimento del calore nell'analisi degli elementi finiti è diverso per i diversi valori dei componenti, e se solo i risultati della misurazione del punto sono utilizzati per il calcolo, il valore h sarà piccolo, quindi alcune correzioni devono essere fatte. Il valore h con grande consumo energetico è leggermente più grande. , e poi confrontare i risultati calcolati e misurati, e regolare continuamente il valore h fino a quando non è sostanzialmente coerente.

4) In diverse distribuzioni di campo di temperatura, anche se i colori visualizzati sono gli stessi, i valori di temperatura rappresentati dallo stesso colore sono diversi. Sono utilizzati per indicare la tendenza dalle aree ad alta temperatura alle zone a bassa temperatura.

5) Anche le condizioni di confine sono molto importanti, e le condizioni di confine date durante la modellazione devono essere corrette.


3.3 Esempio di analisi del campo di temperatura 3D

Ci sono tre chip sul PCB, il layout e tutti i parametri sono gli stessi di 2.


4. Conclusione e analisi

1) Sulla superficie, il risultato tridimensionale della simulazione del campo di temperatura non è buono come l'ideale bidimensionale, ma in realtà, non è il caso. La temperatura indicata nella simulazione 3D è la posizione dello stampo del componente, dove la temperatura è effettivamente superiore alla temperatura superficiale del componente. Pertanto, i risultati della simulazione per il layout 2 sono ragionevoli.

2) Il modello 3D è più complesso. Per l'accuratezza dei risultati della simulazione, il materiale del chip può essere considerato composto da tre strati di materiali diversi per semplificare il modello.

3) The establishment of the 3D model and the processing of the results consume a lot of energy and time, e i requisiti di materiale e struttura sono più dettagliati e specifici del modello 2D. Anche se la simulazione 3D può ottenere maggiori informazioni, 2D può anche ottenere rapidamente una distribuzione approssimativa del campo di temperatura. Pertanto, nelle applicazioni pratiche, questi due metodi possono essere selezionati in base alla Scheda PCB situazione effettiva specifica.