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光电子卡系统仿真及散热方案分析

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 213次

曹欣1,刘焕玲2


(西安电子科技大学,西安 710071)

System Simulation and Analysis of Cooling Scheme to Photoelectron Card 

Cao Xin1 Liu Huan-Ling2

(XIDIAN UNIVERSITY, XI'AN 710071)

摘要

在Icepak软件中建立光电子卡的有限元模型并进行热分析,给出光电子卡系统的温度场分布。由仿真结果知PCB板、电源、芯片和光器件的温度均高于器件的允许结温,不满足光电子卡系统的技术要求,因此需要对其进行散热处理。在PCB板正反两面的集成电路表面增加散热冷板,对芯片和光器件进行散热。仿真时,研究散热冷板厚度、冷板温度两设计参数对各器件温度的影响规律。

关键词:光电子卡 散热冷板 热分析

Abstract:photoelectron card  cooling plate  thermal analysis

Key Word:Establishing finite element model of photoelectron card, going thermal analysis and giving the temperature field distribution of the photoelectron card system in Icepak.The simulation result shows that the temperature of PCB board 、power supply、chips、optical devices and other regulatory surfaces are all higher than allowable junction temperature. Doesn’t meet the technical requirement of photoelectron card. Therefore, it’s necessary to heat treatment. Putting the cooling plate on the surface of the integrated circuit both pros and cons of the PCB to radiate the heat of chips and optical devices. During the simulation, studying the law of the cooling plate’s thickness and temperature two design parameters influenced on the temperature of all devices.

0引言

随着电子、微电子技术的高速发展,电子设备的功率密度越来越大,电子系统正向小型化,紧凑型发展,尤其在航空航天,国防军工中所使用的电子设备的热设计更面临严峻的挑战。当电子设备工作时,高密度组装的发热器件发出大量热量从而产生很高的热流密度对电子设备的工作造成巨大威胁。电路散热的研究主要集中在器件散热封装优化[1-2]和系统热管理及仿真[3-4]。温度过高会造成55%以上的电子设备损坏和失效[5],元器件的结温每升高10℃,它的失效率将翻倍[6],从而大大降低电子装备工作的可靠性。利用热传递特性优化设计热流通道,提供一个温度比较低的散热器把设备内部有害的热量尽可能释放掉[7]。现如今以CFD为核心的专业仿真软件可以准确仿真电子系统内任意一点的计算变量[8],早已超越传统的流体力学和流体工程范畴,扩展到化工冶金环境等许多相关领域[9]。本文中光电子卡系统温度过高,不能正常工作,需要对其散热。目前散热主要采取有自然对流,强迫对流,相变冷却,热电制冷,液冷冷板[10]冷却以及热管传热等方式,其中液冷冷板冷却方式结构简单、热阻低、冷却效率高,对于高热流密度的光电子卡的冷却能起到很好的效果。

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1研究概述

1.1光电子卡系统的组成

光电子卡系统分为四部分:PCB线路板、电源模块、集成电路(芯片)、光器件。其中印制电路板(PCB线路板)广泛应用于各个领域,几乎所有的电子设备中都包含印制电路板。PCB线路板表面喷锡处理[11],介质材料是FR-4(环氧玻璃布基),PCB板由FR-4与铜箔的压合制作而成,由于FR-4本身的导热率非常低,电路板上的热量主要是依靠铜箔传递开[12]。该板成品板厚2.1mm,有16层,顶层和底层的铜层厚度为0.5oZ (1oZ0.035mm),内部中间层的每层铜层厚度均为0.5oZ,顶层、底层和内部中间层的铜层覆盖率分别为55%、15%、60%。因此得到PCB板的横向导热系数是29.7165W/m.K、纵向导热系数是0.403735W/m.K。

电源模块采用六面体屏蔽、铝合金封装。芯片均采用塑料(环氧树脂)封装,安装形式为smd,仿真时芯片均采用双热阻模型[13]

集成电路(芯片)是采用一定的工艺,把具有一定功能的电路所需的半导体电阻电容等元件及布线全都集成在一小块硅片上,然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。芯片均采用塑料(环氧树脂)封装,安装形式为smd,仿真时芯片均采用双热阻模型。

光器件包括激光器、探测器、光发射模块和光接收模块。激光器内部有热电制冷模块[14],热电制冷模块的功率为0.65W。激光器内部不需要仿真,激光器的热量通过钨铜合金传递到PCB板,故只需对钨铜导热块进行建模。其尺寸大小为7.6mm×5.5mm×1mm,材料为钨铜合金,热耗1W,导热系数180W/m.K。探测器热量很小,不对其进行热分析。光发射模块和光接收模块主要通过在底面与主板接触的导热焊盘进行散热,因此将其简化为主板散热焊盘进行建模,该焊盘尺寸为10.2mm×10.2mm×1mm,材料为铜,热耗分别为660mW、1089mW。

1.2技术要求

(1)集成电路u315的允许结温125℃,I级降额允许结温80℃;其他集成电路的允许结温150℃,I级降额允许结温85℃;(2)电源模块允许结温105℃,I级降额允许结温85℃;(3)光器件允许结温125℃,I级降额允许结温85℃;(4)PCB板的最大工作温度是130℃。

1.3技术参数

材料

密度

kg/m3

弹性模量Gpa

泊松比

热膨胀系数(10^-61/℃

FR-4 Epoxy

1800

11.1

0.28

x

12

y

12

z

3.4

2689

71.7

0.33

23.2

环氧树脂

1950

1

0.38

62.4

8933

119

0.326

17.5

钨铜合金

15400

110

0.33

7.4

 

2光电子卡的数学模型及仿真模型

2.1基本假设

为了使本次的数值模拟便于分析。根据工程实际,以及电子产品热仿真的理论基础,在建立模型前对其进行简化假设:

(1)             光电子卡系统未进行散热时采用自然冷却,环境温度20℃。

(2)             物性参数不随温度等因素发生变化。

2.2控制方程

光电子卡自然冷却的问题属于湍流自然对流和辐射换热[15]的问题,其数学模型为满足所规定的边界条件的Navier-Stokes方程,由一个质量守恒方程(即连续性方程),xyz三个方向的动量守恒方程和一个能量守恒方程所组成。

(1)连续性方程

                                  (1)

式中,为流体的密度,t为时间,uvw分别为流体在xyz方向的速度。

(2)动量方程

                      (2)

                      (3)

                     (4)

其中,为动量守恒方程的广义源项。

(3)能量守恒方程

                        (5)

其中,为定热容,为热传导系数,T为流体温度,为粘性耗散项。

对于上面的偏微分方程组,需采用数值计算方法。将原问题的连续解变成离散解,从而把偏微分方程组转变成代数方程组,利用计算机进行求解。

2.3 Icepak软件数值模拟

2.3.1 建立热仿真模型

根据各器件的位置和尺寸参数,在Icepak软件建立光电子卡模型。模型如图2.1所示。图2.1(a)中多个红色模块是PCB板正面的芯片,灰色部分是激光器,图2.1(b)中红色模块是PCB板反面的芯片,灰色部分是光接收和光发射模块。


电源


a)模型正面图

b)模型反面图

图2.1Icepak建立的模型

2.3.2网格划分

有限元分析中,网格划分是一个重要的环节。网格的划分需要考虑到诸多的问题,因此工作量也比较大。有限元模型的求解直接受制于网格划分的质量和数量,网格划分对计算结果的影响很大,不但影响收敛性,而且决定了计算的精度。但网格并不是越多越好,网格过多或者过少都可能造成残差曲线不收敛。为了能够建立准确、合理的有限元分析模型,对模型设置全局网格。划分的整体网格数为1119464,如图2.2所示。

 

 

a)机柜内部整体网格模型

bZ向截面网格

图2.2 划分的网格模型

2.3.3网格划分独立性验证

0gai--每个方向的最大网格尺寸分别设置为13、2.2、9。

划分的整体(包括机柜)网格单元数为1119464,网格节点数1172112。

0gaiwg1--每个方向的最大网格尺寸分别设置为14、2.3、9.2。

划分的整体(包括机柜)网格单元数为1027574,网格节点数1078629。

   0gaiwg2--每个方向的最大网格尺寸分别设置为15、2.4、9.4。

划分的整体(包括机柜)网格单元数为1011404,网格节点数1061827。

0gaiwg3--每个方向的最大网格尺寸分别设置为12、2.1、8.9。

划分的整体(包括机柜)网格单元数为1132904,网格节点数1186038。

验证结果

 

 

网格数

PCB板温度分布(

电源温度分布(

1011404

94.2346~270.166

116.901~155.808

1027574

94.0416~270.083

116.279~155.768

1119464(选用)

94.8359~270.304

119.205~155.146

1132904

93.3866~270.111

115.511~155.978

 

2.3.4数值仿真

对光电子系统进行基本设置,辐射模型选择S2S模型,流动形式选择湍流,选择自然对流并设置重力加速度,重力加速度方向为y轴正向,初始温度20℃。对光电子系统进行求解设置,迭代步数为250步,设置收敛准则。设置边界条件后,对电源中心点和其他温度较高的16个器件表面的中心点进行监控,利用Solve进行求解。

2.4 仿真结果

PCB温度分布

aPCB板正面温度分布

bPCB板反面温度分布

图2.2 PCB板温度分布

图2.2(a)为PCB板正面温度分布,图2.2(b)为PCB板反面温度分布,由图2.2表明,PCB板的温度范围为94.068~271.161℃,其最高温度发生在热阻比较高的芯片(热阻为30℃/W)上,如反面热阻较大的芯片温度较高,最低温度发生在无芯片的区域,如PCB板正面的右上角区域。这是因为PCB板上的芯片较多,分布比较集中,热量又无法导出,所以芯片的温度过高导致了PCB板的温度过高,已经超过了PCB板的最大工作温度。

电源模块的温度分布

图2.3 电源模块温度分布

图2.3为电源模块的温度分布,由图2.3可知,电源的温度范围为115.924~154.951℃。最高温度发生在靠近芯片的地方,距离芯片越远电源温度越低。这是由于芯片的温度过高,热量没有散去,且芯片距离电源较近,导致电源受到周围高温芯片的热辐射,温度较高,高于电源模块的允许结温。

集成电路的温度分布

a)正面芯片温度分布

b)反面芯片温度分布

图2.4 集成电路(芯片)温度分布

图2.4(a)为正面芯片温度分布,图2.4(b)为反面芯片的温度分布,由正反面的芯片温度可知,正面芯片的温度范围为77.0302~193.82℃,反面芯片的温度范围为86.3068~310.537℃,反面芯片的最高温度高于正面芯片,正反两面的最高温度均大于芯片的允许结温。最高温度发生在热阻比较大且距离电源较近的芯片上,最低温度发生在尺寸较大且距离电源较远的芯片上,器件集中的地方芯片温度也较高,这是由于芯片同时还受到了周围器件热辐射的影响,热量不能导出。

光器件的温度分布

a)光发射和光接收模块的温度分布

b)激光器的温度分布

图2.5 光器件的温度分布

图2.5(a)为光发射和光接收模块的温度分布,图2.5(b)为激光器的温度分布,由光发射和光接收模块的温度分布可知,光发射和光接收模块的温度范围在134.719~164.835℃,光器件集中的地方且距离电源较近的器件温度比较高,高于其允许结温。激光器的温度在155.625~206.427℃之间变化,激光器集中的区域温度较高,均高于允许结温。由于激光器的热耗较大,集中区域受到周围光器件的辐射影响,导致其热量不能散出。

各监控表面的温度分布

监控表面

温度(

监控表面

温度(

监控表面

温度(

电源

133.719

u93

178.138

u156

252.992

u12

186.536

u89

163.403

u166

269.89

u13

184.336

u126

299.804

u176

283.029

u33

174.987

u136

295

u251

250.633

u90

159.013

u151

275.171

u256

241.281

u91

160.407

 

表2.1监控表面的中心点温度分布

由表2.1表明,电源表面的温度为133.719℃,表面温度较高,超过了其允许结温。其中u12,u13,u33是PCB板正面的三个激光器,u90,u91,u93是PCB板正面的三个芯片,由表2.1可知,正面器件的温度较低,但仍高于芯片的允许结温。反面芯片的温度较高,其中有几个芯片如u126,u136,u176温度最高,远大于芯片的允许结温,由于这些芯片的结壳热阻大、热耗高且距离电源较近,因此温度过高。

 

 

温度

 

器件

 

温度变化范围(

允许结温(℃)

I级降额允许结温(℃)

PCB

94.068~271.161

130

电源

115.924~154.951

105

85

芯片

77.0302~310.537

125/150

80/85

光器件

激光器

155.625~206.427

125

85

光接收和光发射

134.719~164.835

125

85

表2.2未散热时,光电子卡各器件的温度分布及允许温度

光电子卡系统未进行散热处理时,各器件的温度变化范围如表2.2所示,各器件的温度均超过其允许结温。

 

3 散热方案的概述

本文采用冷板对芯片散热,即在PCB板的正反两面的芯片上各放置一个尺寸相同的散热冷板[16],但是由于每个芯片的厚度不同,因此利用导热模块将所有芯片补齐到相同高度,使其均与散热冷板接触,通过导热模块将芯片的热量传导到散热冷板上,达到散热的目的。仿真时,散热冷板的温度依次选择从10~80℃变化,散热冷板的厚度依次从2~30mm变化。芯片的导热模块选用材料铜,金属铜的导热系数大,导热热阻低,导热能力强,传热量大。导热模块-铜的长宽尺寸与对应的芯片尺寸大小一致,由于芯片的高度不同,导热模块-铜的厚度也各不相同[17]。仿真时采用的铜的热传导系数为401W/m.K。散热冷板由传热能力高的铝板制成,不对电源模块进行散热,冷板分别放置在PCB的正面芯片和反面芯片上,模型大小如图5.2所示,图中红色部分是散热冷板,PCB正反两面均有大小相同的冷板,板的厚度为2mm。散热冷板的参数设置如图3.1所示。此时冷板表面材料设置为喷铝处理,温度为20℃。

 

 

反面冷板

PCB

正面冷板

3.1 散热冷板示意图


电源

 

4散热方案的仿真及结果对比

4.1 计算

光电子卡系统的边界条件设置与之前的设置相同,划分网格并计算。迭代步数设置400步,求解时选取了温度较高的16个器件的表面进行点监控,包括电源表面、三个光器件表面和12个温度较高的芯片的表面。残差曲线达到收敛,监控点曲线基本达到稳定,可以进行后处理。

4.2散热方案的仿真

利用软件Icepak进行仿真,在第一轮仿真时,散热冷板厚度为5mm不变,温度依次选择从10~80℃变化。第二轮仿真时,散热冷板壁面温度20℃不变,散热冷板的厚度依次从2~30mm变化(冷板20~80℃、10~30mm的温度云图略)。

当散热冷板厚度为2mm壁面温度为10℃时,各器件的温度云图结果如图4.1所示:

 

aPCB

b)电源

c)正面芯片(靠近PCB板的一侧)

d)反面芯片

e)光器件

f)正面芯片的导热铜块

g)反面芯片的导热铜块

h)正面散热冷板(有激光器一侧)

i)反面散热冷板

图4.1 冷板板厚2mm壁面温度为10℃时的温度云图

 

由图4.1(a)、(b)可知,PCB板的温度分布为10.0268~62.3044℃,电源的温度分布为26.2657~62.3044℃。冷板温度为10℃时,冷板起到了很好的散热效果。由于PCB板正反面的芯片均有冷板散热,不对电源进行散热,因此PCB板电源处温度最高,远离电源时温度逐渐降低。同样,靠近散热冷板处的电源模块温度较低,距离散热冷板越远电源温度越高。

当散热冷板壁面温度为20℃,冷板厚度为5mm时,各器件的温度云图结果如图4.2所示:

aPCB

b)电源

c)正面芯片(靠近PCB板的一侧)

d)反面芯片

e)光器件

f)导热铜块

g)反面散热冷板

图4.2 冷板壁面温度为20℃,板厚5mm时的温度云图

由图4.2(a)、(b)可知,冷板温度20℃时,冷板温度等于环境温度。PCB板最高温度为68.6081℃,由于PCB板正反面的芯片均有冷板散热,不对电源进行散热,因此PCB板上靠近电源处温度较高,远离电源时温度逐渐降低。电源的温度分布为35.3585~68.6081℃,靠近散热冷板处的电源温度较低,距离冷板越远电源的温度越高。

 

4.3仿真结果对比

4.3.1板厚2mm种温度的仿真结果对比

考虑到光电子卡系统器件的温度过高,在正反面芯片上增加散热冷板进行散热,冷板厚度为2mm时,对以上八种不同温度下的冷板的仿真结果进行对比,如下图4.3所示。

图4.3冷板温度在10~80℃的仿真接货对比

 

当采用铝材质进行冷板散热时,能有效降低各器件的温度。由图4.3可以看出,当冷板温度在10~50℃之间时,各器件温度均低于其允许结温,可以满足光电子卡的技术要求,随着冷板温度的升高,各个器件的温度也在上升。当冷板温度高于60℃时,有些器件如电源、芯片的温度高于I级降额允许结温,不满足技术要求,器件将损坏。因此冷板的温度范围在10~50℃之间时,对光电子卡系统都起到了理想的散热效果。

4.3.2温度20种板厚的仿真结果对比

冷板壁面温度20℃不同板厚的仿真结果进行对比,如下图4.4所示。

 

图4.4冷板厚度在10~30mm的仿真结果对比

由图4.4可以看出,在相同的散热冷板温度下,通过对不同散热冷板厚度的仿真结果对比发现,随着冷板厚度的增大,各器件的温度值略有变化,但是温度范围变化不大。PCB板和电源的最低温度变化在1℃左右,最高温度变化在3℃以内,正反两面芯片和光器件的最低温度变化在1℃左右,最高温度变化在2℃以内,导热铜块和散热冷板的温度范围几乎没有变化。由此可以得出,散热冷板的厚度对光电子卡系统的散热效果影响不大。

5结论

由Icepak仿真知PCB、电源模块、光器件及各监控表面的温度分布均超过了允许结温,大大影响了工作效率,对比多种散热方式,采取最合理的液冷冷板散热方式进行散热分析。控制冷板温度,冷板厚度两设计参数,再次进行仿真,得出结论冷板的温度范围在10~50℃之间时,对光电子卡系统都起到了理想的散热效果,散热冷板的厚度对光电子卡系统的散热效果影响并不大。将此结论运用到光电子卡的实际应用中,一定能大大提高其工作效率。

 

 

 

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