电子线路板热可靠性分析方法探究

摘要：结合某电子线路板实际情况，在Flotherm软件基础上进行建模与计算处理，并将所得出的结果与实验测试数据进行比较，证实采取Flotherm软件方式进行电子线路板热可靠性分析具有建模简单、可操作性强及准确性高等优势。

0 引言

本文提出的Flotherm软件在分析传热学方面起着巨大作用，尤其适用于电子线路板热可靠性的分析与判断。其在电子线路板热可靠性分析中的应用，关键在于如何构建合理、有效的Flotherm模型，以期在确保精确度的同时，符合计算机内存的容量需求。以PCB线路板为例，使用Flotherm 软件进行热可靠性分析，可通过获取热分析结果，精确计算电子设备中各个元器件作业的温度，再与允许的工作温度进行对比，据此判断其是否处于超高温的运行状态。但电子线路板中导线与元器件的布局非常复杂，若想获得精确的建模并不是简单的事，那么就需要对各个元器件进行一定简化，进而保障构建正确的计算模型。

1 电子线路板热可靠性分析的建模

本文分析的电子线路板中，由9个MOS管及6块集成电路块构成主要发热器，当元器件处于工作状态时，大部分的损耗功率就会转变为热量，那么在建模过程中就必须充分考虑元器件的简化问题；对于作为导线敷设的铜箔来说，其布置到PCB基板中，在设计时既可发挥导电的作用，也可传导部分热量，且热导率与传热面积相对较大。

1.1 PCB基板建模的方法

PCB基板是电子电路不可缺少的组成部分，它既提供元器件之间的电气连接，又是元器件的支撑板。PCB板主要包括作为导线涂敷的铜箔、环氧树脂基板等，其中铜箔的厚度约为0.1mm,环氧树脂基板的厚度约为4mm.为了证明使用铜箔会对PCB板传热造成影响，利用Flotherm软件进行模拟实验。

在PCB的环氧树脂基板中放置2个恒定温度状态下的铜块，其中左边铜块的温度约80℃，右边铜块的温度约20℃，同时在PCB板的底部位置设计20 ℃ 的恒温，以此作为传导的边界。对比添加铜箔和未添加铜箔的情况，发现尽管所加的铜箔很薄很细，却对热量有强烈的引导作用，那么在建模过程中这一要素不可忽略。

1.2 MOS管器件建模的方法

MOS管器件主要包括硅片、底部铜合金散热片、环氧树脂壳体等，其热导率分别为117.5W/（m·℃）、301.5W/（m·℃）及0.82W/（m·℃）。在MOS管内部，硅片是非常重要的发热部分，其功率约1W;对MOS管进行建模，主要应考虑如下问题：

（1）初级精度的仿真建模。假设MOS管为一个简单的实心体，结合其实际情况设置物理参数。（2）结合MOS管的内部结构，构建Flotherm 软件模型；当处于室温（20 ℃）及高温（60℃）的自然对流条件下，需要对MOS管的热分布状态进行分别计算。实验结果表明，无论处于室温（20℃）环境还是高温（60℃）环境，通过模型计算的结果基本一致；虽然MOS管的内部结构非常复杂，但是内部与外表面的温度差异极小；结合热传导效应分析，由于MOS管的体积相对较小，同时其主要材料具备良好的传热性能，因此从元器件的内部直到表面的热阻较低，温差也相对较小。那么在实际构建模型过程中，可以直接将MOS管假设为简单的实心体，只要与实际物体有相同的生热率、辐射和对流散热面积，就可以得到与详细模型相同的模拟结果。

为了验证这一猜想过程的合理性，也可进行一次实验：在同一块PCB板中放置2块MOS管模型，一边按照实际结构构建了复杂的空心模型，另一边按照同样的外形简化了实心体结构；在2个MOS块上同样施加0.4W 的发热功率，比较2种不同建模方法的效果。结果表明，2 种模型获得的效果基本一致。

1.3 集成电路块建模的方法

首先，按照集成电路块的实际结构进行建模，将相对较小的发热硅体围绕在氧化铝陶瓷的外壳中，该陶瓷的导热系数是21.通过引脚与底板连接整个元件，引脚的厚度约0.1mm.

为了能够将模型简化，遵循“同热导率”的原则，将原本分立的引脚合并。实验表明，尽管对集成电路块的结构进行了精确的建模，但是元器件内部与表面的温差相对较小。因此，采用与前面MOS管相同的分析方法，可以证明集成电路块的建模也可以用简单的方块来代替。

以上分析证明：在PCB电路板中，MOS管与集成电路块都可通过简化的方式建模，不会对最终结果造成影响。

2 实验与验证

完成对电子线路板中与热分析相关的元器件简化建模之后，需要将各部分的简化模型组合起来，构建一个完整的PCB线路板Flotherm模型，并对其结果进行计算与分析：首先，在室温条件下进行模拟。以各电子元器件的损耗功率作为热分析的生热率载荷，PCB线路板表面施加20℃的空气自然对流，作为辐射边界的环境温度为室温（20℃），计算热分布状况。

结合实际工作应用来看，可以利用红外热像仪设备测量电子线路板在常温下的工作温度，将测试点位置的计算值和实际测量数值进行比较。由于在该模型中进行了一系列的简化处理，因此计算值的误差可以控制在一定范围内。从表1来看，利用Flotherm软件计算温度分布状况，与实测值的结果基本相符，可见简化建模的方法方便、可行。

前面的实验是在室温环境下进行的，但是在实际工作中PCB电路板所处环境可能有差别，因此就不能用以上的实验方法测量温度场分布状况。那么根据简化建模的思想，也可利用软件来模拟电子线路板在真空环境中的温度场分布。例如，将散热片安装到PCB线路板的顶端，此时PCB基板和散热片底板连接，同时接入了60℃的冷却空调。在模型计算中，分别在基板与散热片的底部设置传热边界条件。根据最终的结果来看，在冷却空调正常工作的条件下，器件最高温度仅略高于空调温度，满足安全工作范围；相反，如果模拟冷却空调失效的状态，仅依靠辐射方式来散热，那么MOS管的最高温度将超过安全工作范围。

3 结语

在对PCB电子线路板作热可靠性分析时，在建模方面可以进行很大简化，这样更利于建模操作。针对需要简化的发热元器件，由于从内部直到外部表面的热阻相对较小，将原本结构复杂的电子元件作为简单模块来处理，使用Flotherm 软件对PCB电子线路板进行热分析，可降低计算机对内存的要求，同时提高了计算效率和精确度。实验结果表明，该方法有良好的科学性、合理性、可操作性，并且便于使用，能够很好地完成对复杂电子线路板的热可靠性分析工作，具有广泛的应用空间及应用价值。