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10-6g，没有形成自然对流的必要条件。对于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要。

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。

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。

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20℃。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

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，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

表1 使用两种PCB模型温度计算结果（温度单位：℃）

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 User's Guide. 2006年11月.

[2] 刘君恺.散热设计－第三章.2005年11月

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