作者：張開峰 ¹，安世龍 ¹，付  康 ²，謝亞明 ¹，高  燕 ¹，萬國春 ¹

1. 同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海  ；

2. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海

隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，汽車級電子元件的性能越來越優(yōu)越，以集成電路及芯片為主的微電子系統(tǒng)在信息、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前，汽車電子設(shè)備正向高功率、高密度的方向發(fā)展，散熱已成為影響汽車電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠度的重要因素。高功耗元器件的熱量如不能及時有效地散發(fā)出去，會導(dǎo)致電子設(shè)備的可靠性和實用性降低。研究表明，超過 55%的電子設(shè)備損壞是因為溫度超過其額定值而發(fā)生的^[1]。隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長，甚至對于一些器件，環(huán)境溫度每升高 10 ℃，失效率就會增大一倍以上^[2]。同樣，在車燈方面，LED燈由于其高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但散熱問題也是限制 LED 車燈的一大瓶頸^[3-4]。因此，進行汽車級 PCB 熱模型仿真分析，從而為 PCB 的設(shè)計提供指導(dǎo)尤為重要。

本文基于一款車規(guī)級 LED 驅(qū)動電路 PCB 設(shè)計過程中對熱量的評估，從仿真的角度出發(fā)，研究了 PCB的尺寸、主要功率元件散熱焊盤上的過孔密度和 PCB基板介質(zhì)材料的優(yōu)化問題。

 PCB 散熱方式

PCB 級熱分析理論來源于傳熱學(xué)的基本原理，熱量的傳遞過程通常通過3種形式，分別是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射^[5]。常見的 PCB 層數(shù)設(shè)計有2層和4層，而在汽車電子領(lǐng)域，考慮到成本和制程因素，常采用2層 PCB 來設(shè)計，圖1所示為2層 PCB 及其上面功率元件的散熱方式。

1）熱傳導(dǎo)公式。

其中，A₁為給定的面積，m²；Q₁為單位時間內(nèi)通過A₁的熱量，W；δ為傳導(dǎo)路徑的長度，m；λ為導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）或者W/（m·℃）；Δ_t為導(dǎo)熱體兩端的溫差，K或者℃；負號代表熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。

2）對流傳熱公式。

其中,Q₂為對流交換的熱量,W;A₂為與流體如空氣接觸的物體表面積,m²;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),也稱為對流換熱系數(shù),W/(m²·K)或者W/(m²·℃);Ts為物體表面溫度,K;T_f為流體溫度,K;ΔT為一物體表面與周圍流體的溫差,K或者℃?

3）輻射傳熱公式。

其中,Q₃為輻射放出的熱量,W;A₃為參與輻射的面積,m²,ε為物體表面的輻射率,其值介于0~1,和物體材料的溫度?表面粗糙程度有關(guān);σ為斯特藩-玻耳茲曼常量,其值為5.67×10–8W/(m²·K⁴);T_A為周圍環(huán)境溫度,K?

本文基于以上3種傳熱公式,研究了改變PCB的尺寸(即對流傳熱和輻射傳熱的面積)?材質(zhì)(即PCB的導(dǎo)熱系數(shù))來改善產(chǎn)品的設(shè)計,并運用電子產(chǎn)品熱分析軟件ANSYSICEPAK對不同產(chǎn)品模型分別進行了仿真^[6]?

車規(guī)級氛圍燈PCB熱仿真及優(yōu)化方法

車規(guī)級LED驅(qū)動電路印刷電路板（以下簡稱氛圍燈 PCB）的電路原理見圖2。Ⅰ型氛圍燈 PCB 設(shè)計見圖3，規(guī)格為39.56 mm×15.41 mm×1.6 mm 的2層 PCB。

PCB 上的元件參數(shù)和功率如表1所示。

LED1工作溫度在–40~125℃,其他元件工作溫度均在–40~150℃,而汽車工作的環(huán)境溫度通常在–40~85℃,因此LED1正常工作的溫升不得超過40℃,其他元件的溫升不可超過65℃?在實際的PCB溫度測試中,LED1的溫升達到了69℃,無法滿足元件的溫度要求,同時LED1的結(jié)點溫度對其壽命和可靠性有很重要的影響?

在參考了相關(guān)文獻^[7-10]后,本文結(jié)合ANSYSICEPAK軟件,將元件和PCB的基本熱參數(shù)的設(shè)置如下?PCB介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù):當(dāng)介質(zhì)為FR4時設(shè)置為0.35W/(m·K);當(dāng)采用鋁為基板時設(shè)置為209W/(m·K)?走線層的材質(zhì)為純銅,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為401W/(m·K)?元件C1—C5,D1,D2,R1—R3以及F1為陶瓷材質(zhì),導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為15W/(m·K)?P1為銅鋅合金,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為109W/(m·K)?對于LED1,底座材質(zhì)為銅鋅合金,導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為109W/(m·K),PN結(jié)導(dǎo)熱系數(shù)為21.5W/(m·K)(錫),透明膠殼材質(zhì)為樹脂,導(dǎo)熱系數(shù)為0.375W/(m·K)?VR1/VR2的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為109W/(m·K)?由于PCB上不僅有元件,還包含走線層銅箔,依據(jù)實際工作條件作如下假設(shè):

(1)元件的功率不隨溫度和時間變化;

(2)外界環(huán)境溫度為定值;

(3)元件和PCB對外界的輻射率為定值?

雖然PCB的外形為中心對稱,但是考慮PCB上的元件大小與功率不對稱,所以本文建立總體的熱仿真模型,如圖4所示?

仿真前的網(wǎng)格劃分采用六面體方式,最大網(wǎng)格尺寸為0.3mm,最小網(wǎng)格尺寸為0.001mm,PCB上的其他區(qū)域采用最大網(wǎng)格尺寸為0.6mm,最小網(wǎng)格尺寸為0.001mm?PCB以外的計算區(qū)域采用最大網(wǎng)格尺寸5mm,最小網(wǎng)格尺寸0.001mm,最后劃分的網(wǎng)格結(jié)果為:節(jié)點數(shù)量2991670個,有限元數(shù)量2537017個,PCB上的網(wǎng)格分布如圖5所示?

環(huán)境溫度為25℃時,PCB的介質(zhì)采用FR4并在y軸方向上開啟重力加速度,y軸方向上的風(fēng)速為0.1m/s?松弛因子為0.3,在連續(xù)性誤差小于0.001時終止熱仿真迭代計算,得到如圖6所示元件溫度分布云圖?

圖6可以看出PCB紅色高溫區(qū)域為R1?R2?R3?D1以及VR1所在的位置?該區(qū)域的元件溫度都在100℃以上?PCB上最低溫度約為65℃,元件最高溫與PCB最低溫之間溫差幅值約為40℃?PCB上各功率元件的溫度仿真結(jié)果如表2所示?從表2所述元件的溫度仿真結(jié)果可以看出所有元件的仿真溫升都超過65℃,LED1的仿真溫升遠超40℃的要求,故Ⅰ型氛圍燈PCB不符合仿真溫度要求?需要改進設(shè)計并借助仿真來論證設(shè)計的合理性?

根據(jù)文獻^[11],不同覆銅型下的溫度仿真有較大的差異,Ⅰ型氛圍燈PCB的正面和反面幾乎被銅箔全部覆蓋,沒有進一步改進的空間,而PCB尺寸大小決定了其與空氣熱對流的面積以及對周圍環(huán)境熱輻射交換的面積?由于實際工作條件限制,本項目工作環(huán)境無法提供強制對流以期待通過增強對流傳熱系數(shù)來提高散熱能力^[12],所以在文獻^[13]研究散熱片的基礎(chǔ)上,本文考慮增加PCB的面積,將Ⅰ型氛圍燈PCB尺寸增大至59.56mm×25.4mm,PCB總體面積增大約150%,將該PCB簡稱為Ⅱ型氛圍燈PCB?其正面和背面布局分別如圖7(a)和7(b)所示?

采用和前述相同的網(wǎng)格劃分設(shè)置,經(jīng)過仿真后得到的PCB及其元件的溫度云圖如圖8所示?

從圖8可以看出PCB紅色高溫區(qū)域為R1?R2?R3?D1以及VR1所在的位置?該區(qū)域的元件溫度約在75~80℃?PCB上最低溫度約為52℃,元件最高溫與PCB最低溫之間溫差幅值約為28℃,較Ⅰ型氛圍燈有所改善?各個功率元件的溫度仿真結(jié)果參考表3?表3相比于表2,D1的溫升降低27.27℃,LED1的溫升降低21.31℃,R1?R2和R3的溫升分別降低25.41?24.90和24.98℃,VR1和VR2的溫升分別降低24.85和24.94℃?Ⅱ型氛圍燈PCB的溫度仿真結(jié)果較Ⅰ型氛圍燈PCB有明顯的改善,但是LED1的溫升仍然超過40℃,所以Ⅱ型氛圍燈PCB也不符合設(shè)計要求?

本研究中的PCB上的元件由于屬于貼片類安裝(SMD),可以考慮通過熱過孔來提供一種介于PCB正反面之間的導(dǎo)熱路徑^[14-15],對于過孔的排列方式可以參考文獻[16],在低導(dǎo)熱率的PCB上添加足夠多的過孔,理論上可以增大PCB的導(dǎo)熱率?但由于生產(chǎn)工藝限制,過孔無法做到無限小?基于現(xiàn)有的尺寸將PCB的過孔按照等邊三角形的排列來放置?Ⅰ型和Ⅱ型氛圍燈的PCB過孔數(shù)量為137個,在Ⅱ型氛圍燈PCB的基礎(chǔ)上增加過孔的數(shù)量與排列,新設(shè)計Ⅲ型氛圍燈PCB,如圖9所示?

經(jīng)過仿真后得到的PCB及其元件的溫度云圖如圖10所示?

圖10的溫度分布類似圖8,PCB紅色高溫區(qū)域為R1?R2?R3?D1以及VR1所在的位置?該區(qū)域的元件溫度約在75~80℃?PCB上低溫區(qū)域約為52.6℃,元件最高溫與PCB最低溫之間溫差幅值約為27.2℃?溫差的幅值較Ⅱ型氛圍燈有所改善但不明顯?

采用 FR4 介質(zhì)的Ⅲ型氛圍燈 PCB 上每個功率元件的溫度仿真結(jié)果參考表 4。

由表4相比于表3可以看出,D1的溫升降低2.8℃,LED1的溫升降低3.7℃,R1?R2和R3的溫升分別降低2.1?0.68和0.9℃,VR1和VR2的溫升分別降低3.3和–0.2℃?對應(yīng)的Ⅲ型氛圍燈PCB的溫度仿真結(jié)果較Ⅱ型氛圍燈PCB有改善但不明顯,且LED的溫升仍超過40℃,所以Ⅲ型氛圍燈PCB仍不符合設(shè)計要求?

將PCB的基板介質(zhì)由導(dǎo)熱系數(shù)為0.35W/(m·K)的FR4改為導(dǎo)熱系數(shù)為209W/(m·K)的鋁基板Aluminum-6063-T5后,元件的熱量能夠更好地傳導(dǎo)至PCB上,從而降低元件的溫度?將Ⅰ?Ⅱ和Ⅲ型氛圍燈PCB的材質(zhì)改為鋁基板,得到如圖11—13所示的氛圍燈PCB及其元件熱仿真溫度云圖和表5所示的溫度仿真數(shù)據(jù)?

圖11所示的溫度仿真云圖說明換用鋁基材質(zhì)后,各個元件的溫度相較于FR4介質(zhì)的Ⅰ型氛圍燈PCB降低了約6~18℃,但是受限于PCB的尺寸,元件的最高溫度在90.54℃?圖12和13所示的溫度仿真云圖基本上已經(jīng)趨于一致,元件與PCB之間的溫度差別在5℃以內(nèi),且元件的最高溫分別不超過64.8℃(圖12)和65℃(圖13),說明使用鋁基介質(zhì)作為PCB板的材質(zhì)后對降低元件的溫度有明顯的改善?

整理表2—5的仿真數(shù)據(jù),獲得的各個元件的溫升比較如圖14?采用FR4介質(zhì)的Ⅱ型PCB面積約為Ⅰ型PCB面積的2.5倍,其元件的仿真溫度較Ⅰ型PCB下降約17~25℃,在Ⅱ型PCB的基礎(chǔ)上做更加密集的過孔放置得到Ⅲ型PCB,元件的仿真溫度繼續(xù)下降約0.5~5℃?采用鋁基介質(zhì)時,Ⅰ型PCB的各元件仿真溫度較采用FR4介質(zhì)普遍降低6~18℃,Ⅱ型和Ⅲ型PCB仿真溫度較使用FR4介質(zhì)時普遍下降6~14℃?其中鋁基板Ⅰ型氛圍燈由于尺寸的限制,LED的仿真溫升最低為62.4℃,不符合設(shè)計要求,而鋁基板Ⅱ型氛圍燈PCB和鋁基板Ⅲ型氛圍燈PCB已經(jīng)完全滿足設(shè)計要求?

結(jié)論

本文通過熱仿真分析方法,實現(xiàn)了氛圍燈LED的PCB熱性能的優(yōu)化?在原有的Ⅰ型氛圍燈PCB設(shè)計不符合溫度要求的基礎(chǔ)上,借助熱仿真分析了該設(shè)計的不足?通過增大設(shè)計尺寸和增加過孔,設(shè)計了改善的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB,但是仍不滿足車規(guī)級溫升要求?最后通過改變PCB的基材介質(zhì)為鋁基介質(zhì),借助于熱仿真,論證了鋁基材質(zhì)的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB的設(shè)計滿足車規(guī)級要求?

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