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PCBブログ
PCBボード上の主要部品の有限要素熱信頼性解析について
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PCBボード上の主要部品の有限要素熱信頼性解析について

PCBボード上の主要部品の有限要素熱信頼性解析について

2022-07-15
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Author:ipcb

PCBボード

電子装置が小型化し続けるにつれて、熱的デザインがますます重要になる。小型でコンパクトなレイアウトは部品のより高い温度上昇に導く。このように、システムの信頼性を大いに減らす。この理由から、熱伝達原理から、本文では、運転中のプリント基板(pcb)上の主要構成要素の温度場分布を解析し、pcbの高温領域と低温領域を決定するために有限要素ソフトウェアを使用した。異なるレイアウトを有するPCBの温度場は、例によって計算される。そして、比較によってより合理的なレイアウト方法が得られる。レイアウトの最適化、温度を下げるPCBボード、そしてシステムの信頼性を向上させる。


PCBボード


1.はじめに

電子機器の連続小型化により、基板のレイアウトをよりコンパクトにした。しかし、基板上の電子部品の熱伝達経路には不合理なpcbボードレイアウトが大きく影響し、温度上昇による電子部品の信頼性の低下につながる。すなわち、システムの信頼性が大幅に低下する。これにより、PCBボードの温度上昇問題が一定の高さまで上昇する。報告書によると、電子機器の故障要因の55%は、所定値を超える温度に起因する。このため、電子機器では、1°C程度の減少でも、装置の故障率をかなり低減することができる。例えば、統計では、民間航空における電子機器の故障率は1°cの減少に対して4%減少することを示した。温度上昇の制御(熱設計)は非常に重要な問題であることが分かった。PCB上の熱は、主に変圧器、高出力トランジスタ、および高出力抵抗器のような電力損失成分に起因する。それらの電力消費は主に熱伝導、対流、放射の形で周囲媒体に放散され、小さな部分だけが電磁波の形で散逸される。したがって、基板上の電子部品の安定性と信頼性を向上させるためには、基板上のキー部品の消費電力と基板上の温度場分布を明確に理解し、合理的なレイアウトを実現する必要がある。熱シミュレーションを行う場合、通常、熱輸送と流体流方程式を解くために有限要素または有限差分法が使用される。有限要素解析を採用した。有限要素は複雑な幾何学的構造を解くためにより正確である。そして、他の領域がメッシュ化する間、他のものよりおもしろいプレートまたはシステムの部品のようないくつかの領域のメッシュを絞り込むことができる。しかし、メッシュの微細化は、1つの密度から徐々にだけにジャンプすることはできない。


2 .基本熱伝達原理とANSYS有限要素熱シミュレーションプロセス

ANSYS有限要素熱シミュレーションプロセス

本文では、ansysソフトによって幾何学モデルを作成し、ボトムアップとトップダウン法によりソリッドモデルを作成する。ソリッドモデルを作成する過程では、電子部品の複雑な構造により、メッシュ分割とその結果の精度を考慮してソリッドモデルを簡素化でき、不規則な素子の分割に適したノード10素子を選択する。


3.温度場の有限要素解

次元温度場の3.1例の解析

レイアウト1 : CHIP 1側、CHIP 2側、CHIP 1側のチップ3。温度は101.5℃、温度は92.7℃であった。

レイアウト2 :片方のチップ1、チップ2側、PCBの反対側のチップ3。温度は90℃、Cは温度70.7℃であった。


3.2比較分析

1)2つの最終模擬温度場の解析結果を比較すると、レイアウト2の温度と温度が非常に減少していることが明らかになった。例えば、統計では、民間航空における電子機器の故障率は1°cの減少に対して4%減少することを示した。温度上昇の制御(熱設計)は非常に重要な問題であることが分かった。これにより、装置の信頼性が向上する。

2)温度場分布図は同じ問題を反映している。したがって、PCBボードをレイアウトする際には、消費電力の少ない部分に十分注意を払う必要がある。

3)有限要素解析における対流熱伝達率は、異なる成分値によって異なり、点測定結果のみを計算する場合、h値は小さくなるので、いくつかの補正をしなければならない。消費電力の大きいh値はわずかに大きい。そして、測定された結果を比較して、それが基本的に一貫しているまで、H値を連続的に調整する。

4)異なる温度場分布では表示色は同じであるが、同一色で表される温度値は異なる。高温域から低温域までの傾向を示す。

5)境界条件も非常に重要であり、モデリング中に与えられる境界条件は正しくなければならない。


3.3三次元温度場の例

PCBには3つのチップがあり、レイアウトとすべてのパラメータは2と同じだ。


4.結論と分析

1)表面では三次元温度場シミュレーション結果は二次元理想と同じではないが、実際にはそうではない。3 Dシミュレーションで示される温度は、実際の温度がコンポーネント表面温度よりも高いコンポーネントのダイの位置だ。したがって、レイアウト2のシミュレーション結果は妥当だ。

2)3 dモデルはより複雑だ。シミュレーション結果の精度のために、チップ材料はモデルを単純化するために異なる材料の3層から構成されているとみなすことができる。

3) 3 Dモデルの確立と結果の処理は多くのエネルギーと時間がかかる。そして、材料および構造要件は、2 Dモデルより詳細で特異的だ。3 Dシミュレーションはより多くの情報を得ることができるが、2 Dはまた、近似的な温度場分布を迅速に得ることができる。したがって、実用上、これらの2つの方法は PCBボード 具体的な状況を表す。


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