提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计

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提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图1  

写在前面


当前,电子产品朝着功能齐全、轻量化、低成本的方向发展,这种需求使得PCB板必须在高密度电流的情况下工作。一般来说,汽车电子产品在恶劣的环境中运行。在过去的几十年中,电子在汽车行业中使用越来越多,其对轻量化和经济高效电子的需求呈指数级增长。

另外与外部包装轻量化要求相同,电子产品的功能增加了很多,这势必对电子产品的热管理提出了挑战。为了满足应用程序所需的众多功能,电路板器件的密度、PCB板上的电流也增加了很多。在高电流的需求下,焦耳加在PCB板上的热耗是非常大的。如果采用自然散热的方式,不对PCB表面使用额外冷却手段的情况下,PCB上的器件和铜箔层的散热是一个巨大的热挑战。

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图2  

PCB热管理实例介绍


在本研究中,该产品包含,一个塑料外壳,PCB及能够在高电流下工作的电子元件。

该PCB产品拥有多个输入和输出,支持各种负载。高密度电流流过PCB中的多层铜箔上。这些铜层(由于尺寸的限制) ,在高密度电流情况下,势必导致较高的焦耳热。另外,在PCB基板上有多个电子部件工作。结果,这些部件处于较高的工作温度下。

本研究使用热风险管理工具(Thermal Risk Management tool,TRM)进行电热模拟,热测量分别通过热成像和热电偶,来对热场和元件的温度进行测量。热模拟与测量的结果进行对比,误差在±3%范围内

在验证了热仿真模型的基础上,通过仿真进行了参数化研究,优化了铜线的几何形状和元件位置,优化了元件、PCB的功耗、PCB布线的布局堆叠和PCB基材。这种优化有助于减少PCB板上的热点和温度。在早期产品的开发阶段,可以大大降低开发成本和产品成本。

PCB板上铜箔流入电流,进而产生热量,其公式为:

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图3其中Q表示焦耳热耗,单位为W;I为流入电路板的电流,单位为A;R为铜箔的电阻,单位为欧姆。

电阻R与铜箔的几何及电阻系数有关,其对应公式为:

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图4


这里p表示铜箔的电阻率,单位为w.m;L为铜箔的长度,单位为m;A为电流通过铜箔的横截面积,单位为


提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图5

随着电流的增大,焦耳热可能变成了一个巨大的挑战。如果内部产生的热量相对较高,加上比较恶劣的高温外部环境,热挑战就会被放大许多倍。

  • 产品

对某一个汽车电子单元产品进行分析,它支持车辆上的多种应用。为了满足所有这些需求,PCB板上需要通入较高的电流。铜层,由于尺寸的限制,在流入高密度电流后,导致更高的焦耳热。除此之外,电路板上的器件也会有大量的热生成。相应的结果就是,整个PCB板上的器件处于高温的状态下

  • 电—热耦合模拟

PCB板的电-热模拟有助于(i)可视化整个板子的热场,(ii)识别电流流动的瓶颈,(iii)识别电路板上的热点,以便对PCB板铜箔布局进行优化,降低铜箔产生的焦耳热。

在本研究中,通过热风险管理方法(Thermal Risk Management tool,TRM)电-热模拟来进行,该工具用于计算电子器件和PCB的温度

  • 仿真模型

该模型由元件及其各自的功耗、PCB板内部的热过孔及热耗、PCB板基材(FR4)、不同的铜层、铜层之间电流流动的导电体、输入输出引脚等等。外壳结构的影响主要体现在边界条件对应的换热系数上。总的换传系数是考虑整个产品的传导、对流和辐射,进行系统级的共轭传热模型导出的,电流(I)被分配给输入和输出的引脚。将环境温度作为边界条件应用于PCB及元件。

  • 模拟的有效性

为了通过消除热瓶颈来评估产品的热风险,提高产品的使用寿命,对元件、PCB和塑料外壳的温度与极限进行了比较。

由于电子产品的温度每升高10°C,其寿命将减少一半,所有的电子产品将必须保持在合理的工作温度下。

寿命和工作温度的关系是:

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图6


t表示工作时间,单位为h;c为常数;T表示器件的工作温度,单位为K。

为了验证模拟结果,在实验室中通过红外热成像和热电偶测量,对板级和组件级进行了测量。分别用于热场和元件温度。模拟和测量结果表明PCB板的温升误差在±3%以内。表1显示了被测量的几个工作部件的温度以及它们在模拟中的预测温度。

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图7  
  • 初始模型

一旦通过实验室测量验证了仿真模型,那么可以对完整模型进行全负荷加载,其中PCB板的电流和元件的功耗都是最大的。铜层的厚度信息如下表所示(每层厚度35微米):

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图8  

测试电路板的顶面,电路板的最大温升为88.8 ˚C,电路板整体的焦耳热为13.03 W。

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图9  

PCB热管理优化方案


  • 优化方案1

由于焦耳热相当高(即13W),这势必导致PCB和元件的温度也比较高,因此需要对铜箔进行了修改,以减少它。作为减少焦耳热的第一步,可以通过增加铜层的厚度来增加电流流过的截面面积。铜层厚度如下:

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图10  

通过计算,可以得到电路板上的最大温升为59.8˚C,焦耳热由13.03 W降至6.81W。随着铜层厚度增加为原来的两倍,电流流经的断面面积增加了一倍,这使得焦耳加热减少了一半。

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图11  

方案1—PCB板顶部的温度分布云图

  • 优化方案2

随着铜层厚度的增加,截面面积增大,这是降低PCB的焦耳热和最高温度的有效途径。在继续优化设计的方案中,选用最大的铜层厚度。修改铜箔层厚度信息,如下表所示:

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图12  
提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图13  

方案2—PCB板顶部的温度分布云图

在此方案中,PCB板的最高温升为53.3˚C。增大电流流经的截面积,可以进一步减少焦耳热,从而降低PCB的温度。顶层铜箔的最大电流密度从140A/mm2降至120A/mm2,内部4层的最大电流密度由73A/mm2降低至62A/mm2。


结论概述


降低元器件和PCB的温度是提高电子产品寿命的重要设计目标。对于高电流密度的PCB板而言,要保持其维持安全的温度,焦耳热必须最小。通过优化布线的几何尺寸,进行了方案的修改(PCB板布线布局的修改),进一步降低了PCB板及器件的最高温度,如方案2所示,内部层用来承载电流,使得PCB板的最高温升由原始的88℃降低到53℃,这大大提高了电子器件的寿命

通过本案例的热模拟计算可以帮助工程师在产品设计的初期阶段,快速找出热点区域,并采取相应的措施消除热点区域。

提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计的图14

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