2007年第4期 桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)
（總第48期） JOURNAL OF GUILIN COLLEGE ()F AER()SPACE TECHNOL(X;Y 信息與電子工程
板級(jí)電路模塊布局熱設(shè)計(jì)
李天明 （桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校廣西桂林541004）
摘 要:針對(duì)某種板級(jí)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(duì)各種布局條件下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)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(dá)到降低板上局部熱載荷峰值，有效地均勻熱場(chǎng)并使最高溫度顯著降低的目的。而采用遺傳算法對(duì)器 件位置布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)也進(jìn)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(jí)電路；熱分析；遺傳算法；布局
中圖分類號(hào)：TB115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)實(shí)際的微電子器件進(jìn)行熱一機(jī)械性能測(cè)試變得越來(lái)越困難甚至不可能；傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)～修改方案一再實(shí)驗(yàn)的方式生產(chǎn)周期長(zhǎng)，過(guò)程反復(fù)多，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)電子器件更新?lián)Q代速度，并且在相當(dāng)程度上導(dǎo)致了產(chǎn)品制造成本的上升。因此，在設(shè)計(jì)階段采用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬和分析制造后產(chǎn)品的實(shí)際性能，以發(fā)現(xiàn)其中的不足，并將之應(yīng)用于設(shè)計(jì)的修改，已成為工程上主要的發(fā)展趨勢(shì)”一.。本文通過(guò)采用ANSYS軟件對(duì)某種板級(jí)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(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論。
板級(jí)電路熱設(shè)計(jì)基本理論及方法
1.1熱設(shè)計(jì)概述
電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，是指對(duì)電子元件、組件以及整機(jī)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(gè)溫度則應(yīng)成為熱控制系統(tǒng)的重要判據(jù)。在確定熱控制方案時(shí)，電子元器件的最高允許溫度和最大功耗應(yīng)作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。熱分析是熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可靠的熱分析是熱評(píng)估的一種重要的手段。熱分析應(yīng)該從熱設(shè)計(jì)開(kāi)始至結(jié)束貫穿整個(gè)過(guò)程，為修改和完善設(shè)計(jì)方案提供必要的依據(jù)。廣義的熱設(shè)計(jì)本身就包括熱分析在內(nèi)。
在國(guó)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(wèn)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(guó)Rome空軍發(fā)展中心開(kāi)發(fā)的計(jì)算電路板元件結(jié)點(diǎn)溫度的專家系統(tǒng)，稱之為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)熱分析器。在電路板設(shè)計(jì)階段，完成傳統(tǒng)的熱分析需要大量的時(shí)間和熱分析的專業(yè)知識(shí)，而PC熱分析器不需要熱分析領(lǐng)域里的專業(yè)知識(shí)，在設(shè)計(jì)階段就可獲得有價(jià)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(jì)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(kāi)發(fā)出了一種能夠確定電路板溫度場(chǎng)分布的方法。它可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)的有限元代碼，通過(guò)將邊界條件疊加在解耦面上可以求得芯片級(jí)或板級(jí)電路的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布；美國(guó)Fluent公司是全球最大的CFD( Computational Fluid Dynamlcs，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件供應(yīng)商，生產(chǎn)的Icepak軟件是一個(gè)專業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件，它能夠用于系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)、封裝級(jí)的熱分析問(wèn)題‘6]。它擁有用戶模擬過(guò)程所需要的各種物理模型，可以模擬自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、混合對(duì)流、熱傳導(dǎo)、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(dòng)現(xiàn)象。相比之下，英國(guó)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(duì)使用者不要求具有太高的熱分析及有限元方面的知識(shí)背景‘巧。兩者都具有專業(yè)的流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的求解器，能夠分析各種流體狀態(tài)。同時(shí)，它們提供了電子設(shè)備熱分析中常見(jiàn)的所有組件，使得電子設(shè)備熱分析的建模非常簡(jiǎn)單；John N. Funk等人提出用半解析法預(yù)測(cè)印制電路板的穩(wěn)態(tài)溫度‘8]。該方法對(duì)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(yùn)算時(shí)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(jiǎn)化為長(zhǎng)方體的系統(tǒng)；
作者簡(jiǎn)介：李天明（1962-），男，湖南長(zhǎng)沙市人，桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校副教授，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)電一
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