基于ANSYS的电路板组件热仿真及试验验证研究

摘 要：热仿真对于优化产品热设计、提高电子设备可靠性具有重要的作用，特别适用于大功耗发热电子组件及设备。基于ANASYS软件中的参数化设计语言建立电路板及其组件实体模型，通过热学有限元分析（稳态热学特性分析、瞬态热学特性分析）给出热分析结果（温度分布云图），结合热测试给出热应力分布云图，综合考虑应变疲劳模型、累计损伤模型和经验模型，最终给出电路板组件潜在的薄弱部位。本文以某型电路板为例，通过热仿真分析给出电路板潜在的高发热点和耐热薄弱环节，为电路板结构的优化及布局提供数据支撑，进一步提升电子产品的可靠性。

关键词：热仿真；电路板组件；有限元分析；潜在故障；可靠性

中图分类号：TN761 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）05-0029-06

Research on Thermal Simulation and Experimental Verification of

PCB Based on ANSYS

WANG Hongtao，GAO Jun，WEN Wu，LU Jiafeng

（Guangdong Ke Jian Testing Engineering Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

Abstract：Thermal simulation plays an important role in optimizing the thermal design of products and improving the reliability of electronic devices，especially for large power consumption heating electronic components and equipment. Based on the parameterized design language of ANASYS software，the circuit board and its component entity model are established. The thermal analysis results（temperature distribution cloud chart）are given by thermal finite element analysis（steady thermal analysis and transient thermal characteristics analysis）. The thermal stress distribution cloud chart is given by the heat test，and the strain fatigue model is considered synthetically. Cumulative damage model and empirical model are used to give potential weak parts of PCB. In this paper，a certain type of circuit board is taken as an example to give the potential hot spots and heat-resistant weak links of the circuit board through the thermal simulation analysis. It provides data support for the optimization and layout of the circuit board structure and further improves the reliability of the electronic products.

Keywords：thermal simulation；printed circuit board assembly；finite element method；potential fault；reliability

0 引 言

隨着现代工业和科学技术的飞速发展，电子设备性能、功能不断完善，小型化、集成化以及高计算能力成为电子产品的发展方向。与此同时，印制电路板组件（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）密度逐渐增高，单位面积上的元器件功率消耗和热流密度不断增加，散热问题日益严重[1-3]。印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）作为元器件的载体，必须具有良好的散热性能，元器件过热会使电子设备性能恶化或不稳定，甚至导致电子设备发生故障，直接影响电子产品的可靠性[4]。因此，PCBA的热设计在电子设备设计过程中不可忽视。

热设计主要包括传统方法和仿真计算方法，传统方法是指基于工程师以往经验，经验丰富的工程师可以在热源控制、发热器件布局、流道设计、散热等方面采取措施较好地实现热设计，但是经验缺乏的工程师往往可能出现严重的热设计不合理的情况，凭借经验方法主观性影响大且难以获得定量的热设计结果；热仿真方法具有获取信息多、周期短、成本低，可在产品设计初始阶段提供改进设计数据支撑的特点，成为当前国内外电子设备可靠性分析的主要分析方法之一[5]。本文以某电路故障物理仿真研究为例，阐述了热仿真分析在PCBA可靠性提高中的作用，通过电路实物热测试结果与热仿真得到的电路板的瞬态和稳态温度分布结果进行对比研究，显示仿真与实测误差不超过±2℃，并在此基础上开展热应力分析，确定热应力敏感的薄弱元器件。

1 ANSYS软件和PCBA简介

1.1 ANSYS软件介绍

ANSYS属于大型通用有限元分析软件，拥有一个多用途的有限元法计算机设计程序软件包。整个软件包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块，前处理模块具体是指一个实体建模及网格划分工具，可以实现有限元模型方便的构建；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以可视化方式输出，包括：彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。[6]

在热仿真分析中，ANSYS程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，对热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。另外，热分析还具有模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力[7]。

1.2 PCBA简介

本文选用某一型号电路板为例开展热仿真分析，图1给出了本次仿真试验产品的实物图，图2给出该产品电子器件布局图。

该受试电路板样品电子器件主要包括：电容、电阻、二极管、MOS管、微控制器、存储器、时基电路、芯片、晶振、磁保持继电器、稳压器等，表1给出主要元器件及其功耗。

表1 主要元器件及其功耗

组件代号功耗/W

微控制器LM3S9B81D10.066

数据采集-模数转换器MAX1031BEEGD20.667

存储器FM24C128AD30.03125

时基电路LM555JD40.76

CAN接口芯片CTM1050TD50.27825

数字隔离器ADUM5401N20.5

三端稳压器78D33SN37

DC/DC电源模块SWH03-12S05N110

晶振GZPB-26-16-V3.3-D2G115

电阻—0.1

二极管—0.5

电容—0.05

2 PCBA热仿真分析

2.1 方案设计

为实现PCBA各薄弱点的暴露，有针对性地进行优化改进，提高电路板的可靠性，图3给出可靠性仿真试验方案设计流程。

热仿真方案以典型全寿命周期热应力剖面为输入，通过有限元进行软件分析，模拟电子组件稳态和瞬态热学特性，获得组件内温度分布云图。采用高速红外测试仪测试样品的热响应分布，通过对比试验实测结果与仿真结果，进行过热应力分析。结合应变的疲劳模型、累积损伤模型和经验模型，确定对热应力敏感的薄弱元器件。

2.2 热仿真建模

运用ANSYS参数化设计语言（Ansys Parameter Design Language，APDL）建立PCB及其组件实体模型并划分网格，有限元实体及网格划分模型如图4所示。

由于结构比较复杂，为了在保证计算的精度的同时加快计算收敛时间，在热-结构耦合分析中，采用顺序耦合分析方法，采用多个物理分析，一个一个按顺序分析，第一个物理分析的结果作为第二个物理分析的载荷，基本物理载荷作为名义边界条件。首先采用PLANE55，SOLID87热分析单元进行温度场求解，然后将热单元转换为响应的结构单元，并将求得的节点温度作为体载荷加到模型上再进行结构应力分析，即添加各材料的杨氏模量和热膨胀系数等参数，再将热分析的结果作为热载荷施加在各个节点上，从而求解得到相应的热-结构耦合分析结果。

2.3 有限元仿真分析

温度场是各个时刻物体内各点温度分布的总称。由傅立叶定律知：物体导热热流量与温度变化率有关，所以研究物体导热必然涉及物体的温度分布。另外，物体的温度分布是坐标和时间的函数。由于瞬态热分析是指用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数，在工程中一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷进行应力计算与分析。设初始温度为5℃，热平衡后PCB板的初始温度分布为图5（a）所示。当其进入某个温度较高（如30℃）的外部储存环境中时，PCB板與外部环境间通过对流及PCB板上各器件之间的热传导会形成温度的重新分布，其过程是一个瞬态热力学问题，随着时间的推移，最终达到温度的平衡。提取PCB板60s、180s后的温度分布如图5（b）、（c）所示。结果显示中部热响应最为迅速。

温度分布不均会导致部件产生热应力，PCB板放入温度为50℃的外部环境中，180S后热应力计算结果如图6（a）所示，最大米泽斯热应力约36.8MPa。图6（b）所示为PCB板的热变形。可见电源接插口和中部的电容出现较大的热应力。接插口主要是与PCB板材较大的热膨胀系数差导致此处出现较明显的热应力。同时电容部位由于热响应较大，从热出现较大的热变形，导致电容附近出现较大热应力。

考虑通电情况，计算时在主要器件功耗如表1所示，环境温度为17℃。仿真结果如图7所示，主要器件仿真温度结果如表2所示。

表2 主要器件有限分析温度计算结果（取均值）

时间/sD1N1G1N3D4

6019.229.422.121.921.7

18025.232.723.723.122.4

30026.933.424.023.623.3

3 仿真结果试验验证

在加电工作状态下，采用手持式红外热成像仪（Fluke Tis65，测量精度±2℃）分别监测电路板在60s、180s和300s时间点的热分布，然后利用温度巡检仪（J型热电偶，测量精度1℃）监测关键热点的实际温度。通过红外热成像仪获得的器件各温度状况如图8所示，各温度点实测温度如表3所示。

表3 主要器件试验温度分析结果

时间/sD1N1G1N3D4

6018.330.121.520.420.9

18024.531.623.122.721.9

30026.232.122.722.722.9

对比表2仿真温度和表3试验实测温度结果，发现仿真分析与试验结果误差在±2℃以内，考虑到仪器的测量精度为±1℃，可以认为基于ANASY软件搭建的热仿真可以真实地反映电路板实际的热分布及热应力情况。

通过对PCBA样品进行热响应分析和热应力分析仿真和实验验证，发现样品可能存在如下潜在的薄弱点：

（1）中部电容存在较大的热应力，在贮存过程中存在热应力导致焊点断裂的潜在风险；

（2）接插件热应力较大，可能导致接插位置接触不严、接触电阻增加或断路。

4 结 论

本文运用ANSYS参数化设计语言建立了PCB及其组件三维仿真实体模型，以典型全寿命周期热应力剖面为输入，通过有限元分析软件分析，给出电路板的瞬态和稳态温度分布，进行热过应力分析，结合试验验证结果，确定对热应力敏感的薄弱元器件。通过有效的具有较高可靠性的热仿真技术在样品设计阶段就可以确认电子组件的热设计是否满足要求，找出相对薄弱环节以及易发故障位置，有针对性地进行改进，进一步提升电子产品的可靠性。

参考文献：

[1] 崔佳涛，孟照魁，章博，等.惯性导航系统电子设备热仿真研究 [J].国外电子测量技术，2007（4）：12-14.

[2] 李承隆.電子产品热设计及热仿真技术应用的研究 [D].成都：电子科技大学，2010.

[3] 顾林卫.电子系统的热仿真及热测试研究 [J].现代雷达，2011，33（3）：78-80.

[4] 何伟.电子设备散热特性分析与仿真方法研究 [D].成都：电子科技大学，2011.

[5] 卢锡铭.电子设备热仿真及热测试技术研究 [J].舰船电子对抗，2013，36（3）：118-120.

[6] 王开山，李传日，郭恒晖，等.基于相关性分析的PCBA热力学模型修正 [J].装备环境工程，2014，11（5）：119-124.

[7] 马岩.印制电路板详细模型的热仿真分析 [J].机械设计与制造工程，2016，45（1）：52-55.

作者简介：王红涛（1990-），男，山东金乡人，技术工程师，硕士。研究方向：仪器设备产品质量与可靠性工作；高军（1978-），男，高级工程师，硕士。研究方向：民品、军品质量与可靠性研究工作；文武（1989-），男，技术工程师，硕士。研究方向：医疗器械质量与可靠性研究工作；卢家锋（1988-），男，技术工程师，硕士。研究方向：机器人质量与可靠性研究工作。通信作者为王红涛。