CN109783970B - 一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，步骤包括：基于数据驱动法拟合建立PCB热分析参数的等效经验系数公式；建立PCB三维几何模型；建立PCB三维简化传热数学模型并推导解析解公式；设置模型参数和初始定性温度，调用等效经验系数接口计算热分析参数；计算每一个元器件作为热源的温度场，通过叠加计算PCB温度分布，并更新定性温度；以此进行迭代计算，直至收敛；通过插值法和等效热阻公式分别计算获得PCB可靠性评估所需的热分析参数。本发明在保证热分析精度的基础上，大大简化了模型的复杂度，克服了有限元/有限体积仿真方法耗费时间较长、计算资源较大的缺点，能够较好地解决PCB可靠性评估中动态工作载荷、参数随机性等问题。

Description

一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法

所属技术领域

本发明涉及电子产品故障物理分析领域，特别是一种面向电子产品可靠性仿真分 析的热分析方法。

背景技术

近年来，随着电子行业的快速发展，其产品中电路板的集成度和性能在不断提高，随之功耗也成倍增加，电路板上局部高温会导致其性能与可靠性下降，甚至造成物理损坏。如果能在设计阶段对电路板进行热分析，获得一定工作状态下的电路板的温度场，用于评估其寿命，并开展优化设计，能够有效地提高电路板的寿命及可靠性。因此，集成电路板的热分析技术是电子技术发展的关键技术之一。

电路板中的传热方式主要包括传导、对流、辐射，现有的计算流体动力学(CFD)建模仿真方法能够科学准确地对电路板进行热分析。但是鉴于模型的复杂性，通常有限元/有限体积建模仿真方法需要花费较长的时间和较大的计算资源，且通常需要借助第三方仿真软件，如Fluent、Comsol等。另外，对于集成电路板的可靠性评估，由于涉及到动态的温度剖面、工作载荷、参数随机性等特征，则需要进行多次的热仿真分析。此时有限元/有限体积法就显得不太适合应用于解决此类问题。鉴于此，有必要给出一种面向电子产品可靠性仿真分析的高效简易热分析方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述面向可靠性评估的电子产品热分析现有技术存在的问题，提出一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法。该方法基于工程数据拟合获得电路板热分析参数的等效经验系数公式，采用分离变量法获得电路板热分析能量守恒控制方程的解析解，即温度场，通过多次计算获得PCB可靠性评估所需参数，进而完成可靠性评估与分析。

本发明提供的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，主要包含以下步骤：

步骤1：基于数据驱动方法拟合建立PCB热分析参数的等效经验系数公式；

步骤2：建立三维PCB几何模型，获得PCB模型参数；

步骤3：建立三维PCB传热数学模型，完成PCB传热边界条件设置，采用分离变量法推导获得PCB热分析能量守恒控制方程的解析解公式；

步骤4：假定一个温度值作为物理特性的定性温度，基于PCB模型参数和传热边界条件，调用等效经验系数的接口，计算PCB热分析参数；

步骤5：选择一个元器件作为功率热源，调用解析解公式，获得该功率热源的温度场分布；

步骤6：重复步骤5，直至遍历所有元器件，获得所有元器件作为功率热源的温度场分布，将所有温度场分布叠加获得PCB在该定性温度下的温度场分布；

步骤7：根据获得PCB温度场分布计算定性温度，并更新定性温度；

步骤8：重复步骤4-步骤7，直至温度场达到收敛判据，该温度场即计算获得的最终温度场分布；

步骤9：通过插值法获得PCB可靠性评估所需的热分析参数；

步骤10：通过等效热阻公式计算元器件可靠性评估所需的热分析参数。

所述步骤1基于数据驱动方法建立PCB热分析参数的等效经验系数公式，包括PCB等效物性参数、流体等效物性参数、对流等效换热系数经验公式、辐射等效换热系数经验公式和等效热阻经验公式，其中PCB等效物性参数的计算采用加权体积法，又包括密度、导热系数和摩尔质量，流体等效物性参数又包括密度、导热系数、动力粘度、运动粘度和普朗特数。

所述步骤2建立三维PCB几何模型，获得PCB模型参数，包括：PCB基板厚度、长度、宽度和组成材料，元器件功率，元器件高度、长度、宽度、中心点坐标和组成材料，元器件组装间隙高度，焊点互联高度，焊点键合面积，填充物材料，引脚数量及组成材料。

所述步骤3建立PCB能量守恒控制方程和边界条件，根据实际模型和热分析需求，定义换热形式，环境温度和压力，流体流动方向、速度、温度和压力，辐射系数，重力方向；将流体动力学模型和辐射散热模型简化为第三类边界条件，PCB对流和辐射散热由对流和辐射等效换热系数确定；对于传热能量守恒控制方程，可以通过分离变量法获得温度的解析解；通过该方法可以快速获得PCB稳态温度场分布。

所述步骤4定性温度的初始值为环境温度，基于工程数据统计获得的换热系数经验公式，确定等效对流和辐射换热经验系数。

所述步骤5以每个元器件的温度场分布作为独立的结果形式进行储存和传递，有利于后续PCB可靠性评估的便捷性和拓展性。

所述步骤7-8中，通过更新定性温度，进行迭代计算，可以有效地反应PCB模型参数的动态性，提高热分析的结果的准确性。

所述步骤9中，PCB可靠性评估所需的热分析参数包括各温度剖面载荷下基板上某一元器件所在位置的最高温度和最低温度，称为该元器件的“基板最高温度”和“基板最低温度”。

所述步骤10等效热阻是由步骤1中建立的等效热阻经验公式计算获得，它与元器件的封装类型有关，不同的封装类型对应不同的元器件等效热阻计算公式；元器件可靠性评估所需的热分析参数包括元器件外壳温度和元器件结点温度。

本发明通过以上步骤，给出了一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法。

本发明的优异效果是：基于数据驱动和分离变量方法，建立了面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法。通过科学合理地简化，计算获得PCB热分析的解析解，在保证热分析精度的基础上，大大地简化了模型的复杂度。同时克服了有限元/有限体积建模仿真方法花费时间较长和耗费计算资源较大的缺点，能够较好地解决集成电路板的可靠性评估中动态温度剖面、工作载荷、参数随机性等问题。同时，使用者可以根据所要分析的对象，基于数据驱动对等效公式进行深度定制。

附图说明

图1一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法流程图

具体实施方式

为使本发明的特征及优点得到更清楚的了解，以下结合附图，作详细说明如下：图1描述了本方法的流程。

用户欲对某一包含多个元器件的矩形PCB的工作状态进行热分析和可靠性评估时，本发明的面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法的具体实施步骤是：

步骤1：基于数据驱动方法拟合建立PCB热分析参数的等效经验系数公式，包括PCB等效物性参数、空气物性参数、对流等效换热系数经验公式、辐射等效换热系数经验公式和等效热阻经验公式，其中PCB等效物性参数的计算采用加权体积法，包括基板等效密度、等效导热系数和等效摩尔质量，空气物性参数包括空气密度、导热系数、动力粘度、运动粘度和普朗特数；

步骤2：建立该矩阵PCB三维几何模型，获得PCB模型参数，包括：PCB基板厚度、长度、宽度，基板金属化百分比及组成材料，各芯片额定功率与工作的功率百分比，元器件高度、长度、宽度、中心点坐标和组成材料，元器件组装间隙高度，焊点互联高度，焊点键合面积，填充物材料，引脚数量及组成材料。

步骤3：建立该矩阵PCB三维传热数学模型，完成PCB传热边界条件设置，如下所示：

能量守恒控制方程：

边界条件：

(有功率热源),

(无功率热源),

根据实际模型和热分析需求，定义换热形式，环境温度和压力，流体流动方向、速度、温度和压力，辐射系数，重力方向；本方法将流体动力学模型和辐射散热模型简化为第三类边界条件，PCB对流和辐射散热由对流和辐射等效换热系数确定；对于传热能量守恒控制方程，可以通过分离变量法获得温度的解析解；通过该方法可以快速获得PCB稳态温度场分布。

步骤4：假定环境温度作为初始物理特性的定性温度，基于PCB模型参数和传热边界条件，调用基于工程数据统计获得的换热系数经验公式，确定等效对流和辐射换热经验系数；

步骤5：选择一个元器件作为功率热源，调用解析解公式，获得该功率热源的温度场分布，并以每个元器件的温度场分布作为独立的结果形式进行储存和传递；

步骤6：重复步骤5，直至遍历所有元器件，获得所有元器件作为功率热源的温度场分布，将所有温度场分布叠加获得PCB在该定性温度下的温度场分布；

步骤7：根据获得PCB温度场分布计算定性温度，并更新定性温度，通过更新定性温度，进行迭代计算，可以有效地反应PCB模型参数的动态性，提高热分析的结果的准确性；

步骤8：重复步骤4-步骤7，直至温度场达到收敛判据，该温度场即计算获得的最终温度场分布；

步骤9：通过插值法获得PCB可靠性评估所需的热分析结果，PCB可靠性评估所需的热分析参数包括各温度剖面载荷下基板上某一元器件所在位置的最高温度和最低温度，称为该元器件的“基板最高温度”和“基板最低温度”；

步骤10：通过等效热阻公式计算元器件可靠性评估所需的热分析参数。等效热阻是由步骤1中建立的等效热阻经验公式计算获得，它与元器件的封装类型有关，不同的封装类型对应不同的元器件等效热阻计算公式，适用常见封装的等效热阻R计算公式如下所示：

其中，引脚热阻R₁＝L₁/(N*K₁*A₁)，填充物热阻R₂＝L₂/(K₂*A₂)

其中，L₁ L₂分别为焊点互联高度和元器件组装间隙高度，A₁ A₂分别为焊点键合面积和元器件面积，K₁ K₂分别为引脚和填充物材料导热系数，N为引脚数量。

元器件可靠性评估所需的热分析参数包括元器件外壳温度和元器件结点温度，其计算公式如下所示：

元器件外壳温度＝基板温度+基板到元器件的等效热阻*热流

元器件结点温度＝元器件外壳温度+元器件的等效热阻*热流

本发明提供的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法。本发明在保证热分析精度的基础上，大大地简化了模型的复杂度。同时克服了有限元/有限体积建模仿真方法花费时间较长和耗费计算资源较大的缺点，能够较好地解决集成电路板的可靠性评估中动态温度剖面、工作载荷、参数随机性等问题。

Claims (9)

1.一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：它包含以下步骤：

步骤1：基于数据驱动方法拟合建立PCB热分析参数的等效经验系数公式；

步骤2：建立三维PCB几何模型，获得PCB模型参数；

步骤3：建立三维PCB传热数学模型，完成PCB传热边界条件设置，采用分离变量法推导获得PCB热分析能量守恒控制方程的解析解公式；

步骤4：假定一个温度值作为物理特性的定性温度，基于PCB模型参数和传热边界条件，调用等效经验系数的接口，计算PCB热分析参数；

步骤5：选择一个元器件作为功率热源，调用解析解公式，获得该功率热源的温度场分布；

步骤6：重复步骤5，直至遍历所有元器件，获得所有元器件作为功率热源的温度场分布，将所有温度场分布叠加获得PCB在该定性温度下的温度场分布；

步骤7：根据获得PCB温度场分布计算定性温度，并更新定性温度；

步骤8：重复步骤4-步骤7，直至温度场达到收敛判据，该温度场即计算获得的最终温度场分布；

步骤9：通过插值法获得PCB可靠性评估所需的热分析参数；

步骤10：通过等效热阻公式计算元器件可靠性评估所需的热分析参数。

2.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤1基于数据驱动方法建立PCB热分析参数的等效经验系数公式，包括PCB等效物性参数、流体等效物性参数、对流等效换热系数经验公式、辐射等效换热系数经验公式和等效热阻经验公式，其中PCB等效物性参数的计算采用加权体积法，又包括密度、导热系数和摩尔质量，流体等效物性参数又包括密度、导热系数、动力粘度、运动粘度和普朗特数。

3.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤2建立三维PCB几何模型，获得PCB模型参数，包括：PCB基板厚度、长度、宽度和组成材料，元器件功率，元器件高度、长度、宽度、中心点坐标和组成材料，元器件组装间隙高度，焊点互联高度，焊点键合面积，填充物材料，引脚数量及组成材料。

4.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤3建立PCB能量守恒控制方程和边界条件，根据实际模型和热分析需求，定义换热形式，环境温度和压力，流体流动方向、速度、温度和压力，辐射系数，重力方向；将流体动力学模型和辐射散热模型简化为第三类边界条件，PCB对流和辐射散热由对流和辐射等效换热系数确定；对于传热能量守恒控制方程，可以通过分离变量法获得温度的解析解；通过该方法可以快速获得PCB稳态温度场分布。

5.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤4定性温度的初始值为环境温度，基于工程数据统计获得的换热系数经验公式，确定等效对流和辐射换热经验系数。

6.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤5以每个元器件的温度场分布作为独立的结果形式进行储存和传递，有利于后续PCB可靠性评估的便捷性和拓展性。

7.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤7-8中，通过更新定性温度，进行迭代计算，可以有效地反应PCB模型参数的动态性，提高热分析的结果的准确性。

8.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤9中，PCB可靠性评估所需的热分析参数包括各温度剖面载荷下基板上某一元器件所在位置的最高温度和最低温度，称为该元器件的“基板最高温度”和“基板最低温度”。

9.根据权利要求1所述的一种面向电子产品可靠性仿真分析的热分析方法，其特征在于：

所述步骤10等效热阻是由步骤1中建立的等效热阻经验公式计算获得，它与元器件的封装类型有关，不同的封装类型对应不同的元器件等效热阻计算公式；元器件可靠性评估所需的热分析参数包括元器件外壳温度和元器件结点温度。

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