冀林仙，马钰凯

(运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000)

随着电子信息技术的迅速发展，印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)上搭载的电子元器件朝着高密度化、高功耗化、微型化方向发展。电子元器件的高功耗导致了PCB热流密度增加，相应的电子产品工作的环境温度也发生了极大变化[1]。PCB与集成电路(Integrated Circuit，IC)之间存在多种材料，不同材料热膨胀系数的差异，使得材料界面处产生热应力，造成芯片故障。此时，芯片在更高的温度下工作会增加其内阻，导致信号延时传输，降低工作效率[2]。因此，对PCB进行热设计与热分析，及时将芯片产生的热量传输到外界是提高产品可靠性的关键。目前，解决PCB散热有多种设计方案，如增加散热器、采用高导热材料作基板、采用金属基板、嵌入铜块、设计密集散热孔等[3-6]。采用实验方法研究PCB散热，费时费力，实验周期长，成本高[7]。鉴于此，针对集成芯片的PCB散热问题，本文借助Solidworks构建模型，讨论对流方式对PCB表面温度的影响，分析PCB表面温度随时间的变化规律，研究导热层对PCB散热的影响，为PCB热设计提供一定的理论指导。

1. PCB散热模型

PCB散热模型如图1所示。PCB材料为FR4，PCB为直径70 mm，厚度5 mm的圆柱体，PCB上芯片材料为Si，尺寸为30 mm×30 mm×3 mm的长方体。芯片与PCB之间通过导热胶粘合在一起，胶层厚度为25 μm。

图1 PCB散热仿真模型

热传递包括热传导、热对流、热辐射三种方式。由于PCB的表面辐射系数很小,热辐射传热不到总热量的1%，所以芯片的散热主要通过热传导和热对流，数值模拟时忽略热辐射。

热传导遵从傅里叶定律，表达式为：

(1)

热对流服从牛顿散热公式：

Φ=hX△t

(2)

式中h为热对流常数，单位为W/(m2·K)，X为表面积，Δt为流体与物体表面的温差。

PCB散热仿真主要参数列举于表1。

表1 PCB散热仿真主要参数

2. 结果与分析

2.1 自然对流下PCB表面热分布

2.1.1 稳态热分布

PCB稳态热分布是在自然对流条件下，芯片产生的热量传导给PCB，经过足够长的时间，热流量达到平衡且温度场稳定的过程。PCB稳态热仿真设定总环境温度为25 ℃。当芯片发热功率P为1 W、5 W、10 W、15 W、20 W、25 W时，PCB表面温度随P的变化曲线如图2所示。Tmax为PCB表面最高温度。Tmin为PCB表面最低温度。

图2 PCB表面温度随芯片发热功率的变化

由图2可知，PCB表面最高温度、最低温度与芯片的发热功率成正比，满足表达式：

Tmax=8.517P+24.85

(3)

Tmin=0.024P+24.85

(4)

随着芯片发热功率的增大，PCB上各部分的温度增加。芯片发热功率越大，产生的热量越多，热量通过热传导方式在芯片与PCB上延伸，更多的热量堆积于芯片与PCB相接触的界面，导致此处温度更高[8]。因此，PCB表面温度随着芯片的发热功率的增加而不断增大。随着电子芯片尺寸的微型化，芯片呈现出越来越高的热流密度，芯片温度的控制与热量的散发至关重要。对于稳定持续工作的电子芯片，芯片结温不能超过所允许的120 ℃最大极限值。温度过高，会造成芯片损坏[9]。数值模拟结果表明，芯片的发热功率在25 W时，PCB表面最高温度达到237.774 ℃，远远超过芯片结温极限值，因此需要采取措施改善PCB散热性能，如安装外部散热装置。

2.1.2 瞬态热分布

PCB稳态热力分析表明，芯片在运行一段时间后，热流量会变得稳定，温度场会达到平衡。为了深入了解PCB表面温度随时间的变化规律，选取芯片发热功率25 W时，PCB表面最高温点A进行研究，获得了1000 s内A点温度随时间的变化曲线，如图3所示。

由图3可以看出，自然对流作用下，芯片发热引起PCB表面点A的温度随时间快速上升，在180 s时，A点温度达到200 ℃。之后则缓慢增长，在400 s之后接近稳态分析测定的温度。PCB表面温度先快后慢的变化趋势表明，PCB散热研究需要及时检测芯片工作初期PCB表面温度上升时间范围。因此，在温度快速增加初期及时将热量传输到外界，保证芯片在最适宜的温度状态下工作，PCB表面温度更早趋于稳定。

2.2 强制对流下PCB表面热分布

2.2.1 稳态热分布

在电子产品中增加散热器，引起强制对流，有利于降低PCB表面温度，提高PCB散热性能[10]。芯片发热功率为25 W，对流系数α分别为35、45、55、65 W/(m2·K)，PCB表面温度随对流系数的变化如图4所示。

根据图4曲线，PCB表面最高温度Tmax、最低温度Tmin与对流系数α满足关系式：

(5)

Tmin=24.85+4×0.84α

(6)

从图4可以看出，随着强制对流系数的增加，PCB表面温度降低，Tmax值变化较快，而Tmin变化较小。强制对流系数从35 W/(m2·K)增加到65 W/(m2·K)，Tmin变化量为0.05℃。最低温度变化率随着强制对流系数的增加不断趋于0。这一现象表明，通过强制对流，增加空气对流系数可以降低PCB表面温度，但不能无限制降低。空气对流系数达到一定值后，热传输能力会达到极限，温度降低缓慢，此时需要采取其他措施来提高PCB散热性能。

图4 PCB表面温度随对流系数的变化

2.2.2 瞬态热分布

为了深入了解PCB表面温度随时间的变化规律，选取空气强制对流系数为35 W/(m2·K)、芯片功率为25 W时，PCB表面最高温点B进行研究，获得了1000 s内B点温度随时间的变化曲线，如图5所示。

由图5可以看出，PCB表面温度随时间的变化规律与自然对流下的变化规律相似。随着芯片工作时间的延长，PCB表面温度快速升高，温度增长率先快后慢，200 s后温度逐渐趋于稳定。与自然对流下A点温度相比较，强制对流条件下，PCB表面温度更早趋于稳定，稳定温度为189.096 ℃，比自然对流下稳定温度降低了48.7 ℃。芯片工作时，通过热传导的方式，将热量传输给PCB，再依靠空气流动进行对流散热。对流系数越大，空气流动速度越快。热交换加快有利于降低PCB表面温度，形成更低的稳定温度，保护芯片与PCB。因此，PCB热设计可以通过强制对流，增加对流系数的方式改善PCB散热性能。

图5 强制对流条件下，B点温度随时间变化

2.3 嵌入导热层的PCB散热性能

目前，PCB板材以覆铜环氧树脂玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材为主，这类基材虽然具有优良的电气性能和加工性能，但散热性较差，要提高PCB散热性能，除了采用强制对流方式外，也可以在PCB中嵌入导热层，提高热量传输速率[11,12]。作为导热层的材料可以是金属、非金属或金属-非金属相结合。不同材料的导热层嵌入到PCB中，理论上讲，嵌入的导热材料尺寸越大，散热性能越好。选取和PCB尺寸一致，厚度为1 mm的导热层嵌入PCB中间位置，芯片发热功率为25 W，自然对流作用下，PCB表面温度分布列举于表2。

表2 嵌入导热层，PCB表面温度

由表2可知，加入导热层后，PCB表面温度比未加导热层时温度更低，散热效果能力大小顺序为石墨烯>金刚石-石墨烯结合>铝-石墨烯结合>金刚石>铜>铜-铝结合>铝。非金属石墨烯导热系数为5300 W/(m·K)，金刚石导热系数为2000 W/(m·K)，铜导热系数为390 W/(m·K)，铝导热系数为200 W/(m·K)。金属导热系数远小于非金属的导热系数。材料导热系数越大，吸热能力越强，散热效果越好。但非金属材料做导热层，工艺成本较高，基于成本控制，导热层可以选用金属与非金属结合材料。芯片散发的热量先传输给导热系数大的非金属，再传输给导热系数小的金属，由金属传递到空气中。因此，嵌入金属-非金属导热层是提高PCB散热性能的良好手段，PCB热设计需要选择合适的材料来提高热量传输速率，降低表面温度。

3. 结论

本文借助Solidworks构建了PCB散热模型，分析了芯片在不同功率工作时，自然对流与强制对流作用下，PCB表面的稳态与瞬态温度分布。结果表明，随着芯片工作时间的延长，PCB表面温度升高，但温度增长率随着时间的增加而不断减小。强制对流作用下比自然对流作用下，PCB表面温度会更早趋于稳定，而且，加大对流系数有助于提高PCB散热性能。PCB热设计时，可以采用嵌入导热层的方式提高PCB散热性能。综合制造工艺与成本考虑，金属-非金属相结合的材料作为导热层，是提高PCB散热性能较好的选择，这些结论对PCB热设计与热研究具有一定的理论指导意义。