空间pcb散热分析与优化设计

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1、空间PCB散热分析与优化设计陈粤，吕树申*(中山大学化学与化学工程学院,广州,510275)摘要：本文通过对应用于航天器的PCB（PrintedCircuitBoard）电路板进行热分布分析，借助I-deas/TMG软件对PCB进行建模，研究了辐射在PCB散热中的角色、散热铜板层数优化以及表面辐射率（也称黑度）对散热的影响。结果表明，增强热传导(即增加铜板厚度)可防止PCB局部温度过高；辐射的作用在高温时明显，而低温时较弱；表面发射率对散热的影响也随温度的降低而减小。关键词：PCB；I-deas/TMG；辐射散热；传导散热1.前

2、言随着以集成电路及芯片为主的微电子机械系统在信息、工业、汽车、消费电子等领域的应用越来越广泛，高功率、微型化、组件高密度集中化的趋势也在迅速普及，其中散热效果已成为决定其产品的稳定性及可靠度的重要因素。一般而言电子元器件的工作可靠性对温度极为敏感，器件温度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5%[1],因此热控制方案成为电子产品的开发和研制过程中需要充分考虑的关键技术问题[2]。I-deas/TMG现在称为“NXMasterFEMTMGThermal”，是UGS系列注册软件之一“I-deasÒNXSeries”的一个内

3、置模块[3]。NXMasterFEMTMG是一个全面的传热仿真程序，它采用先进的有限元分析方法建立非线性、瞬态热交换问题的模型，采用3维建模思想，创建和关联几何与热分析有限元模型，快速精确地求解复杂的传热问题[4]。本文应用I-deas/TMG对在空间运行的电子系统中的PCB电路板进行热分布分析，主要研究辐射系数和散热铜板的层数在电路布置和整体散热中的作用、对温度分布的影响（没有考虑地面对流的影响），并对整个电路板所在箱体进行了系统优化设计。2.模型介绍：2.1PCB热模型描述待模拟的PCB板（简称“热板”)是机箱内一系列PCB

4、电路板组中发热量最大的一块，被装配在最靠近箱壳的一面，并将其发热量较大的一面（正面）朝向温度较低的箱壳，以加强散热。为了简化模拟，截取了机箱中最具代表性的一部分作为“简化模型”来进行模拟（即从箱壳到“热板”相邻的另一PCB板之间的箱体空间）。图1为机箱简化模型图。“简化模型”为长方体，底面为“热板”相邻的PCB板，其温度设为恒定20℃；其他五个面为箱壳，温度为0℃；“热板”位于中部，介于箱壳与另一PCB之间，板间距为20mm。6图Ⅰ机箱简化模型图，中间为“热板”且正面朝上，底面为另一PCB板。正面单路元件DCDC反面单路元件（a

5、）正面（b）反面图Ⅱ元件分布图（红色部份为工作的发热元件）。如图2所示，PCB板正反两面均分布许多电子元件，根据尺寸及发热情况对其进行模型化。整理得到PCB正面排布9路元件组，中央区为DCDC；背面排布6路开关电路。PCB工作时正面有三路元件组同时运行，背面一路开关电路协助工作。本文模拟了其发热最集中的工作模式，即正面三路集中分布于电路密集区域，背面一路也位于正面工作电路的对应背面。PCB板的两端为冷端，并设定温度值为0℃，传导热量流入此HeatSink。除了传导散热外，PCB还通过箱体内壁以及相邻PCB板的交换辐射进行热疏导。

6、2.1TMG传热模型描述TMG支持三种类型的切割方式：3维体切割、2维面切割和1维梁切割。进行切割前需定义材料性质参数（其中导热系数为热传导模拟必须参数，若考虑辐射，则仍需定义发射率），并于切割时与单元相关联。本模型假设PCB基板由多层铜板(单层厚度为0.0165mm)复合而成，铜导热系数为340W/mK；电子元件材料导热系数采用经验值34W/mK。对于基板，用SurfacebyBoundary命令设定平面，以此代替厚度为2mm的基板，然后采用shellmesh进行面切割，厚度定义为n*0.0165（具体厚度分别取不同n值）。电

7、子元件的切割采用solidmesh和shellmesh相结合的方法进行切割，采用shellmesh6是考虑到进行辐射传热时，需要元件表面有一层平面单元。而电子元件与基板间的接触热阻用ThermalCoupling进行定义，单个元件接触热阻值为0.7K/W。发热定义根据模拟情况，逐个用ThermalBoundaryCondition进行基于几何形状的定义，设置相应HeatLoad值；冷端也采用同样方法设置Temperature等于0℃[6]。辐射的模拟，借助了箱体。PCB板置于箱体中部，整个箱体与PCB板定义为同一个FEM。根据模

8、拟情况对箱体六个面（其中一个面模拟发热量较低的另一块PCB板）进行面切割，定义面切割厚度为6*0.0165，材质为铜，导热系数为340W/mK。并用ThermalBoundaryCondition根据模型设定各个面温度。检查单元Z方向：其中箱体各个面的单元Z方向