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板级电路模块布局热设计

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2007年第4期    桂林航天工业高等专科学校学报
(总第48期)    JOURNAL OF GUILIN COLLEGE ()F AER()SPACE TECHNOL(X;Y  信息与电子工程
板级电路模块布局热设计
    李天明    (桂林航天工业高等专科学校广西桂林541004)
摘  要:针对某种板级电路建立了多种典型的芯片平面布局热分析模型;采用ANSYS软件对各种布局条件下的温度场分布进行了分析。仿真结果表明:在同一块PCB上,将生热率高的器件置于板面四角而其余的分布于其间,能达到降低板上局部热载荷峰值,有效地均匀热场并使最高温度显著降低的目的。而采用遗传算法对器    件位置布局的优化设计也进一步从更广泛的意义上得出了相同的结论。
关键词板级电路;热分析;遗传算法;布局
中图分类号:TB115    文献标识码:A    文章编号:1009-1033 (2007) 04 - 0004 -05

    随着电子信息技术的高速发展,电子装备不断更新换代,并且正在日益变得轻、薄、短、微小化及使携化。其中,IC封装与电路模块组装又起着关键的作用。由于电子器件朝着体积微小化、高互联密度方向发展,使得对实际的微电子器件进行热一机械性能测试变得越来越困难甚至不可能;传统的设计一实验~修改方案一再实验的方式生产周期长,过程反复多,已经远远不能适应电子器件更新换代速度,并且在相当程度上导致了产品制造成本的上升。因此,在设计阶段采用计算机技术模拟和分析制造后产品的实际性能,以发现其中的不足,并将之应用于设计的修改,已成为工程上主要的发展趋势”一.。本文通过采用ANSYS软件对某种板级电路典型布局的热分析,得到了其上芯片的位置优化方案,随后采用遗传算法所得结果则进一步验证了这一结论。

 板级电路热设计基本理论及方法
    1.1热设计概述
    电子设备的热设计,是指对电子元件、组件以及整机的温升控制‘2]。防JL热失效就必须要正确地确定出现热失效的温度,而这个温度则应成为热控制系统的重要判据。在确定热控制方案时,电子元器件的最高允许温度和最大功耗应作为主要的设计参数。热分析是热设计的基础,可靠的热分析是热评估的一种重要的手段。热分析应该从热设计开始至结束贯穿整个过程,为修改和完善设计方案提供必要的依据。广义的热设计本身就包括热分析在内。
    在国外,日前成熟的电子设备热分析方法主要是基于数值求解传热问题的有限元和有限差分方法‘3],商业化的热分析软件大都采用有限元法或有限差分法。例如,美国Rome空军发展中心开发的计算电路板元件结点温度的专家系统,称之为个人计算机(PC)热分析器。在电路板设计阶段,完成传统的热分析需要大量的时间和热分析的专业知识,而PC热分析器不需要热分析领域里的专业知识,在设计阶段就可获得有价值的结果。,研究表明,PC热分析器比传统的有限差分的热分析方法计算速度快、精度高[们;Wlliam M.Godfrey等人采用解耦、叠代数值技术确定PCB板的温度分布:5]。该技术采用解耦、叠代数值技术,开发出了一种能够确定电路板温度场分布的方法。它可以使用任何标准的有限元代码,通过将边界条件叠加在解耦面上可以求得芯片级或板级电路的稳态温度场分布;美国Fluent公司是全球最大的CFD( Computational Fluid Dynamlcs,计算流体动力学)软件供应商,生产的Icepak软件是一个专业的电子设备热分析软件,它能够用于系统级、部件级、封装级的热分析问题‘6]。它拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型,可以模拟自然对流、强迫对流、混合对流、热传导、热辐射、流一固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象。相比之下,英国Flomerics公司的Flotherm软件flotherm和lcepak相类似,表现出了专业热分析软件的优越性,对使用者不要求具有太高的热分析及有限元方面的知识背景‘巧。两者都具有专业的流体动力学(CFD)的求解器,能够分析各种流体状态。同时,它们提供了电子设备热分析中常见的所有组件,使得电子设备热分析的建模非常简单;John N. Funk等人提出用半解析法预测印制电路板的稳态温度‘8]。该方法对电路板及其上的元件分别建立传热方程,并有各自的解析解。电路板温度的解析解是采用格林函数方法求解电路板的传热方程获得的;而芯片的解析解则是利用分离变量法求解其传热方程得到的。
半解析方法运算时间短,精度与有限元法相同,但是该方法适合于将电路板及其上的元器件简化为长方体的系统;

作者简介:李天明(1962-),男,湖南长沙市人,桂林航天工业高等专科学校副教授,工学硕士,研究方向:机电一

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