2007年第4期 桂林航天工業(yè)高等?？茖W校學報
（總第48期） JOURNAL OF GUILIN COLLEGE ()F AER()SPACE TECHNOL(X;Y 信息與電子工程
板級電路模塊布局熱設(shè)計
李天明 （桂林航天工業(yè)高等專科學校廣西桂林541004）
摘 要:針對某種板級電路建立了多種典型的芯片平面布局熱分析模型；采用ANSYS軟件對各種布局條件下的溫度場分布進行了分析。仿真結(jié)果表明：在同一塊PCB上，將生熱率高的器件置于板面四角而其余的分布于其間，能達到降低板上局部熱載荷峰值，有效地均勻熱場并使最高溫度顯著降低的目的。而采用遺傳算法對器 件位置布局的優(yōu)化設(shè)計也進一步從更廣泛的意義上得出了相同的結(jié)論。
關(guān)鍵詞板級電路；熱分析；遺傳算法；布局
中圖分類號：TB115 文獻標識碼：A 文章編號：1009-1033 (2007) 04 - 0004 -05
隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子裝備不斷更新?lián)Q代，并且正在日益變得輕、薄、短、微小化及使攜化。其中，IC封裝與電路模塊組裝又起著關(guān)鍵的作用。由于電子器件朝著體積微小化、高互聯(lián)密度方向發(fā)展，使得對實際的微電子器件進行熱一機械性能測試變得越來越困難甚至不可能；傳統(tǒng)的設(shè)計一實驗～修改方案一再實驗的方式生產(chǎn)周期長，過程反復多，已經(jīng)遠遠不能適應電子器件更新?lián)Q代速度，并且在相當程度上導致了產(chǎn)品制造成本的上升。因此，在設(shè)計階段采用計算機技術(shù)模擬和分析制造后產(chǎn)品的實際性能，以發(fā)現(xiàn)其中的不足，并將之應用于設(shè)計的修改，已成為工程上主要的發(fā)展趨勢”一.。本文通過采用ANSYS軟件對某種板級電路典型布局的熱分析，得到了其上芯片的位置優(yōu)化方案，隨后采用遺傳算法所得結(jié)果則進一步驗證了這一結(jié)論。
板級電路熱設(shè)計基本理論及方法
1.1熱設(shè)計概述
電子設(shè)備的熱設(shè)計，是指對電子元件、組件以及整機的溫升控制‘2]。防JL熱失效就必須要正確地確定出現(xiàn)熱失效的溫度，而這個溫度則應成為熱控制系統(tǒng)的重要判據(jù)。在確定熱控制方案時，電子元器件的最高允許溫度和最大功耗應作為主要的設(shè)計參數(shù)。熱分析是熱設(shè)計的基礎(chǔ)，可靠的熱分析是熱評估的一種重要的手段。熱分析應該從熱設(shè)計開始至結(jié)束貫穿整個過程，為修改和完善設(shè)計方案提供必要的依據(jù)。廣義的熱設(shè)計本身就包括熱分析在內(nèi)。
在國外，日前成熟的電子設(shè)備熱分析方法主要是基于數(shù)值求解傳熱問題的有限元和有限差分方法‘3]，商業(yè)化的熱分析軟件大都采用有限元法或有限差分法。例如，美國Rome空軍發(fā)展中心開發(fā)的計算電路板元件結(jié)點溫度的專家系統(tǒng)，稱之為個人計算機(PC)熱分析器。在電路板設(shè)計階段，完成傳統(tǒng)的熱分析需要大量的時間和熱分析的專業(yè)知識，而PC熱分析器不需要熱分析領(lǐng)域里的專業(yè)知識，在設(shè)計階段就可獲得有價值的結(jié)果。，研究表明，PC熱分析器比傳統(tǒng)的有限差分的熱分析方法計算速度快、精度高[們；Wlliam M．Godfrey等人采用解耦、疊代數(shù)值技術(shù)確定PCB板的溫度分布：5]。該技術(shù)采用解耦、疊代數(shù)值技術(shù)，開發(fā)出了一種能夠確定電路板溫度場分布的方法。它可以使用任何標準的有限元代碼，通過將邊界條件疊加在解耦面上可以求得芯片級或板級電路的穩(wěn)態(tài)溫度場分布；美國Fluent公司是全球最大的CFD( Computational Fluid Dynamlcs，計算流體動力學)軟件供應商，生產(chǎn)的Icepak軟件是一個專業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件，它能夠用于系統(tǒng)級、部件級、封裝級的熱分析問題‘6]。它擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，可以模擬自然對流、強迫對流、混合對流、熱傳導、熱輻射、流一固的耦合換熱、層流、湍流、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)等流動現(xiàn)象。相比之下，英國Flomerics公司的Flotherm軟件flotherm和lcepak相類似，表現(xiàn)出了專業(yè)熱分析軟件的優(yōu)越性，對使用者不要求具有太高的熱分析及有限元方面的知識背景‘巧。兩者都具有專業(yè)的流體動力學(CFD)的求解器，能夠分析各種流體狀態(tài)。同時，它們提供了電子設(shè)備熱分析中常見的所有組件，使得電子設(shè)備熱分析的建模非常簡單；John N. Funk等人提出用半解析法預測印制電路板的穩(wěn)態(tài)溫度‘8]。該方法對電路板及其上的元件分別建立傳熱方程，并有各自的解析解。電路板溫度的解析解是采用格林函數(shù)方法求解電路板的傳熱方程獲得的；而芯片的解析解則是利用分離變量法求解其傳熱方程得到的。
半解析方法運算時間短，精度與有限元法相同，但是該方法適合于將電路板及其上的元器件簡化為長方體的系統(tǒng)；
作者簡介：李天明（1962-），男，湖南長沙市人，桂林航天工業(yè)高等?？茖W校副教授，工學碩士，研究方向：機電一
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