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1、真空环境中PCB布线对器件散热性能的影响周维北京天源博通科技有限公司摘 要：使用ICEPAK软件对处于真空环境中的PCB板散热系统进行了仿真，对PCB板分别使用标准热模型 和带有布线的热模型。计算表明，PCB的布线对器件温度有影响，在实际的PCB布局中，应当对器件合理 布局，以达到理想的散热效果。关键词：ICEPAK软件，真空，PCB布线，散热1.引言：电子产品在地面工作状态下通常散热可以利用传导、辐射或者自然对流形式的无源技 术，也可以用强迫风冷、热交换器或者使冷却液循环的有源技术。但是，空间电子产品，处 在微重力、真空环境中，常规的重力加速度仅为10-g，没有形成自然对流的必要条件。对 于
2、太空运行的飞行器电子设备只能采用传导和辐射换热技术，在真空环境中，只有传导和辐 射两种传热方式，因此，辐射换热的地位就凸现出来。导热过程的计算很简单，求解的是傅 立叶导热方程，一般软件都能做到比较好的精度。但辐射换热的计算就比较复杂了，主要是 因为辐射能量同温度成强非线性关系，并且角系数的计算精度对模拟结果影响很大。ICEPAK 提供了两种计算辐射角系数的模型：半立方角法和自适应法1，能够满足各种复杂情况的 计算需在电子器件及系统技术中PCB扮演的角色越来越重要，随着系统体积缩小的趋势，IC制 程及封装技术不断向更细更小的连接及体积发展，作为器件及系统连接角色的PCB也朝向连 接细微化的高密度
3、PCB发展。另一方面，随着电子产品发热密度的不断提升，对于PCB层级 散热设计的需求也越来越受到重视2。特别是当电子系统处于真空环境中，电子器件除了 本身的热辐射，绝大部分热量通过热传导传递到PCB板上，再通过PCB板的热辐射进行散热。 因此，必须对PCB板的散热特性做精确的仿真，这样才能得到比较可信的电子元器件的温度 预报值。结合PCB自身的导热特性，对器件进行合理布局，才能得到理想的散热结构设计。2. PCB板热模型PCB是由绝缘基板及导电材料所组成，从整体上看，PCB板沿着面方向和法向的导热能 力是不同的，面方向的导热能力远远大于法向导热能力。通常可以通过设定材料的各向异性 导热系数来描
4、述PCB板这种导热属性，如图1,在ICEPAK软件的PCB标准模块中，通过输入 布线层(Tracing layers)的厚度和含铜量来自动获得PCB的导热系数。图1 ICEPAK软件的PCB标准模块实际PCB的布线不是均匀的，造成PCB局部铜含量差别很大，局部导热系数也会有很大 差别。为了考虑PCB的布线对板局部导热性能的影响，必须通过布线的真实布局获得PCB 导热系数的细致分布，既PCB上每个计算网格的导热系数。如图2为ICEPAK软件的PCB布 线模块，ICEPAK软件可以读入EDA软件如Cadence Allegro和Gerber文件，这些文件包含 了 PCB的详细布线信息，包括金属走线
5、以及过孔等细致结构。ICEPAK软件通过布线分布 自动计算出PCB上每个计算网格的导热系数。图2 ICEPAK软件的布线模块3 .算例验证为了研究布线对板上器件散热性能的影响，特别构造一个PCB散热系统，这个系统处 于真空环境，通过辐射进行散热，辐射的背景温度为20C。如图3所示为该系统的ICEPAK模型。其中，处于PCB四个角上的器件完全一样，功率为3w，PCB中心的芯片功率为0.75w， 为了能对比节点温度，对这个芯片构筑包括Die的详细模型。图3散热系统模型图4 PCB的布线（Traces）通过导入EDA软件的Traces文件，在ICEPAK中可以直接获得PCB上每个计算网格的导 热系数
6、，如图4所示，为该PCB板上的布线分布情况。4 .计算结果和讨论图5-图8分别给出了使用ICEPAK软件的两种PCB板热模型的温度仿真结果，其中图 5、图6是使用PCB标准模型得到的板上各器件温度分布图和PCB板中心位置芯片核心单 元温度分布图；图7、图8是使用PCB布线热模型得到的板上各器件温度分布图和PCB板 中心位置芯片核心单元温度分布图。通过比较可以看出使用两种模型得到的温度结果和温度 分布有很大差别。图5使用PCB标准热模型得到的温度分布几乎完全对称，器件温度相同。图5 PCB温度：使用PCB标准模型图6芯片温度：使用PCB标准模型图7 PCB温度：考虑布线影响图8芯片温度：考虑布线
7、影响表1使用两种PCB模型温度计算结果（温度单位：。C）器件1器件2器件3器件4芯片壳温芯片节温标准模型75.275.175.175.285.988.2考虑布线64.465.763.475.788.390.7表1给出了在ICEPAK软件中使用两种PCB模型计算的器件和芯片温度具体数值，对比 可以发现，使用PCB标准模型得到的四个模块温度几乎完全相同，而使用PCB布线模型计算 得到的四个器件温度相差很大，这说明相同模块处于PCB不同位置，因PCB局部导热能力不 同，模块的散热效果是不同的，在真空环境中，这种影响是不可忽略的。对比两种PCB模型 得到的芯片壳温和节温可以看出，虽然两种模型计算得到的
8、芯片节温和壳温分别不同，但节 壳温差一样。5 .结论本文使用ICEPAK软件对真空环境的PCB板级散热系统仿真，使用两种PCB模型，研究 了 PCB板的布线对器件和芯片散热能力的影响，通过计算结果可以得到如下结论：1. 由于真空环境没有空气对流，只有热传导和热辐射，器件散热受到PCB自身的散热能力 影响很大；2. 在实际的PCB结构设计中，必须考虑PCB的布线，及过孔等层结构对散热的影响，对板 上的器件进行合理布局，能适当的降低器件温度，以达到最优的散热结构设计；3. 在实际的PCB板热模型中，布线不仅能够影响PCB的局部散热能力，布线的存在还会造 成PCB局部的热功率不同，在PCB热结构设计中，应该考虑之，ICEPAK软件的PCB布线 热模型为相关仿真和设计提供了一个很好的手段。参考文献1 Fluent Inc. Icepak 4.3 Users Guide. 2006 年 11 月.2 刘君恺.散热设计一第三章.2005年11月
