eng
Выпуск #6/2018
К. Хайрнасов
Определение эффективных параметров теплоотводящих слоев в многослойных печатных платах
Определение эффективных параметров теплоотводящих слоев в многослойных печатных платах
Просмотры: 2246
При помощи математического моделирования исследуется вопрос о нахождении максимальной толщины теплоотводящих слоев в многослойных печатных платах электронных модулей, после которой дальнейшее ее увеличение становится неоправданным вследствие чрезмерного увеличения массы этих слоев при отсутствии значимого снижения температуры нагретых компонентов.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.177.6.136.139
УДК 621.3.038:526.21:004.94 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.177.6.136.139
УДК 621.3.038:526.21:004.94 | ВАК 05.27.00
Теги: cooling efficiency electronic unit heat transfer layer printed circuit board temperature mode печатная плата температурный режим теплоотводящий слой электронный узел эффективность охлаждения
Проблема отвода тепла от активно нагревающихся компонентов за счет теплопроводности металлизации многослойных печатных плат (МПП) рассматривалась автором в работе [1] применительно к бортовой радиоэлектронной аппаратуре, эксплуатирующейся в негерметичных отсеках космических аппаратов с централизованной системой обеспечения тепловых режимов. Исследовалось влияние толщины медной металлизации внутренних слоев МПП на тепловой режим базовой кассеты, представляющей собой печатный узел в сборе с необходимыми силовыми конструктивными элементами. Математическое моделирование, выполненное методом конечных элементов в программной системе ANSYS, показало, что введение в состав многослойных печатных плат дополнительных медных слоев обеспечивает требуемые по Техническим условиям значения температур теплонапряженных компонентов электронного модуля.[1]
В статье [2] в результате проведенного по аналогичной методике исследования установлено, что толщина теплоотводящих слоев МПП влияет на теплоотвод нелинейно – его эффективность растет медленнее, чем суммарная масса все более толстых теплоотводящих слоев. Выявлена оптимальная толщина теплопроводящих слоев по критерию соотношения роста весовых характеристик МПП, с одной стороны, и величины снижения температуры компонентов – с другой.
Однако в процессе моделирования в работе [2] были приняты ограничения, не позволяющие распространить полученные результаты на значительное число ситуаций практического конструирования, поскольку диапазоны изменения температур составляли не более 1,5 °С, а габариты платы не превышали 15 Ч 20 мм при толщине 1,6 мм. В настоящей работе рассмотрен результат решения той же задачи, но для модуля на печатной плате обычных для бортовой электроники габаритов, с различным количеством слоев, различным сочетанием их толщины, в широком диапазоне изменения температур.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Цель работы – определение эффективной толщины теплоотводящих слоев – достигается путем математического моделирования электронного устройства, в ходе которого рассчитывается максимальная температура компонентов при различной толщине слоев, выполненных из меди и алюминия.
Под эффективной толщиной теплоотводящего слоя понимается диапазон этой величины, в рамках которого каждое приращение толщины на 35 мкм обеспечивает снижение температуры в пределах от 3 до 1 °С. Снижение температуры на величину, превышающую 3 °С, свидетельствует об общей недостаточности теплоотвода; снижение на величину, меньшую 1 °С, – о несоответствии результата цене, выражающейся в ухудшении весовых характеристик конструкции.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исследовался тепловой режим модуля бортовой информационно-вычислительной машины. Основание модуля представляет собой многослойную конструкцию, сверху и снизу которой находятся слои со смонтированными на них компонентами (в дальнейшем – монтажные слои), а между ними – теплоотводящие слои в виде сплошных металлических полигонов, изолированные друг от друга диэлектриком. Габариты основания в плоскости 154 Ч 180 мм, его толщина 1,6 мм. Рассматриваются два вида материала теплоотводящих слоев: медь и алюминий. Мощность, генерируемая компонентами модуля, составляет 10,4 Вт.
Модуль установлен на термостабилизационную платформу с температурой 40 °С. Температура окружающей среды ±40 °С (величина +40 °С выбрана потому, что такая температура среды создает для модуля наиболее тяжелые по тепловому нагружению условия работы из тех, которые встречаются при эксплуатации бортовой электроники). Модуль находится в негерметичном корпусе, при нормальном атмосферном давлении.
Параметры материалов слоев основания модуля, необходимые для расчета, приведены в табл. 1.
МЕТОДИКА
Процесс моделирования состоял в проведении расчетов максимальной температуры компонентов Т0 по каждому из вариантов структуры основания модуля, отличающихся друг от друга толщиной слоев металлизации. При увеличении последней, исходя из условия сохранения общей толщины пакета, равной 1,6 мм, толщина диэлектрика уменьшается. Это уменьшение учтено путем равномерного распределения дефицита толщины по всем слоям диэлектрика; пример такого распределения для одного из расчетных вариантов приведен в табл. 2.
Для всех вариантов структуры были проведены по две группы расчетов: для медных и алюминиевых теплоотводящих слоев.
Задача решалась методом конечных элементов. Модуль аппроксимировался совокупностью 20-узловых квадратичных гексаэдральных конечных элементов объемной проводимости. В ходе вычислений рассчитывалась температура в узлах конечных элементов.
Температура в узлах конечноэлементной аппроксимации электронного устройства определяется как решение системы уравнений
Q = C Ч T, (1)
где С – матрица проводимостей, описывающая теплообменные свойства материала (W / °С); Т – температура в узлах, подлежащая определению (°С); Q – сумма векторов, учитывающих конвективный теплообмен, поток тепла через поверхность компонента и внутренние источники тепла компонентов.
В качестве характеристик тепловой нагрузки и температуры, прикладываемой к модулю, учитывались:
• интенсивность распределенной теплоты на единицу площади, применяемая к граням элементов конструкции (W / м2);
• интенсивность распределенной теплоты на единицу объема (W / м3), вычисляемая как отношение энергии, генерируемой компонентом, к объему этого компонента (принято равномерное распределение энергии по объему);
• внешняя температура +40 °С, применяемая к установочной поверхности.
Общее число конечных элементов разбиения составило 53 034. Точность полученных расчетов проверялась путем сгущения сетки конечных элементов. Максимальная разница между значениями температур, вычисленными для основного разбиения, и результатами, полученными при проверочном разбиении на 61 220 элемента, составила ~2,5%; эта величина и является погрешностью вычислений при моделировании.
Картина распределения температур, построенная как совокупность температур в узлах разбиения, представлена на рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты расчетов для структуры, описанной в табл. 2, приведены в табл. 3.
Моделирование проводилось и для других вариантов сочетания толщин металлических слоев, в частности, при постоянной толщине (35 мкм) монтажных слоев и ее наращивании у внутренних, теплоотводящих, при двух (табл. 4) и четырех (табл. 5) таких слоях в структуре основания модуля.
Обобщение результатов моделирования подтвердило вывод, сделанный в работе [2], о том, что максимальная температура компонентов находится в нелинейной зависимости от толщины теплоотводящих слоев многослойной печатной платы. Кроме того, основываясь на значениях температур, приведенных в табл. 3, 4, 5, установлено, что в условиях теплового нагружения, сравнимых с теми, которые приняты в качестве исходных при моделировании, эффективная толщина каждого из теплоотводящих слоев в многослойных структурах составляет:
• для слоев из меди: 70–175 мкм;
• для слоев из алюминия 105–245 мкм.
При практическом проектировании электронных модулей следует учитывать, что вклад в теплоотвод тех слоев МПП, которые несут топологический рисунок, невозможно учесть с абсолютной точностью. Поэтому целесообразно считать, что металл распределен по ним с некоторой средней плотностью, характеризуемой коэффициентом заполненности: отношением суммарной площади металла на данном слое к площади сплошного полигона в границах его топологического рисунка. Учесть при моделировании эффект снижения теплоотвода таким слоем можно, введя его эквивалентную толщину, определяемую как толщина фольги слоя, умноженная на коэффициент заполненности.
ВЫВОДЫ
Проведенное математическое моделирование тепловых режимов многослойной структуры основания модуля, работающего в нормальных атмосферных условиях в негерметичном корпусе, установленного на термостабилизационную платформу с температурой +40 °С, показало, что:
• использование в составе МПП внутренних теплоотводящих слоев позволяет обеспечить температуры компонентов, требующиеся для их нормального функционирования;
• между суммарной толщиной теплоотводящих слоев и количеством отводимого тепла нет линейной зависимости, последняя величина растет медленнее, чем первая;
• наиболее эффективная толщина теплоотводящего слоя из меди находится в пределах 70–175 мкм, из алюминия – 105–245 мкм. Увеличение толщины теплоотводящих слоев сверх указанных значений не приводит к существенному улучшению теплового режима, в то время как стоимость и вес платы увеличиваются. Последнее особенно нежелательно для приборов, применяемых в авиаракетной технике, где весовые характеристики имеют высокий приоритет.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании многослойных печатных плат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хайрнасов К. З. Моделирование и тепловой анализ электронных устройств космических аппаратов // М.: Вестник МАИ. 2013. № 3. Т. 20. С. 134–138.
2. Хайрнасов К. З., Жанаштаева Т. М. Влияние толщины слоев многослойной печатной платы на теплоотвод // Тезисы докладов 16-й Международной конференции «Авиация и космонавтика‑2017». С. 386.
В статье [2] в результате проведенного по аналогичной методике исследования установлено, что толщина теплоотводящих слоев МПП влияет на теплоотвод нелинейно – его эффективность растет медленнее, чем суммарная масса все более толстых теплоотводящих слоев. Выявлена оптимальная толщина теплопроводящих слоев по критерию соотношения роста весовых характеристик МПП, с одной стороны, и величины снижения температуры компонентов – с другой.
Однако в процессе моделирования в работе [2] были приняты ограничения, не позволяющие распространить полученные результаты на значительное число ситуаций практического конструирования, поскольку диапазоны изменения температур составляли не более 1,5 °С, а габариты платы не превышали 15 Ч 20 мм при толщине 1,6 мм. В настоящей работе рассмотрен результат решения той же задачи, но для модуля на печатной плате обычных для бортовой электроники габаритов, с различным количеством слоев, различным сочетанием их толщины, в широком диапазоне изменения температур.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Цель работы – определение эффективной толщины теплоотводящих слоев – достигается путем математического моделирования электронного устройства, в ходе которого рассчитывается максимальная температура компонентов при различной толщине слоев, выполненных из меди и алюминия.
Под эффективной толщиной теплоотводящего слоя понимается диапазон этой величины, в рамках которого каждое приращение толщины на 35 мкм обеспечивает снижение температуры в пределах от 3 до 1 °С. Снижение температуры на величину, превышающую 3 °С, свидетельствует об общей недостаточности теплоотвода; снижение на величину, меньшую 1 °С, – о несоответствии результата цене, выражающейся в ухудшении весовых характеристик конструкции.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исследовался тепловой режим модуля бортовой информационно-вычислительной машины. Основание модуля представляет собой многослойную конструкцию, сверху и снизу которой находятся слои со смонтированными на них компонентами (в дальнейшем – монтажные слои), а между ними – теплоотводящие слои в виде сплошных металлических полигонов, изолированные друг от друга диэлектриком. Габариты основания в плоскости 154 Ч 180 мм, его толщина 1,6 мм. Рассматриваются два вида материала теплоотводящих слоев: медь и алюминий. Мощность, генерируемая компонентами модуля, составляет 10,4 Вт.
Модуль установлен на термостабилизационную платформу с температурой 40 °С. Температура окружающей среды ±40 °С (величина +40 °С выбрана потому, что такая температура среды создает для модуля наиболее тяжелые по тепловому нагружению условия работы из тех, которые встречаются при эксплуатации бортовой электроники). Модуль находится в негерметичном корпусе, при нормальном атмосферном давлении.
Параметры материалов слоев основания модуля, необходимые для расчета, приведены в табл. 1.
МЕТОДИКА
Процесс моделирования состоял в проведении расчетов максимальной температуры компонентов Т0 по каждому из вариантов структуры основания модуля, отличающихся друг от друга толщиной слоев металлизации. При увеличении последней, исходя из условия сохранения общей толщины пакета, равной 1,6 мм, толщина диэлектрика уменьшается. Это уменьшение учтено путем равномерного распределения дефицита толщины по всем слоям диэлектрика; пример такого распределения для одного из расчетных вариантов приведен в табл. 2.
Для всех вариантов структуры были проведены по две группы расчетов: для медных и алюминиевых теплоотводящих слоев.
Задача решалась методом конечных элементов. Модуль аппроксимировался совокупностью 20-узловых квадратичных гексаэдральных конечных элементов объемной проводимости. В ходе вычислений рассчитывалась температура в узлах конечных элементов.
Температура в узлах конечноэлементной аппроксимации электронного устройства определяется как решение системы уравнений
Q = C Ч T, (1)
где С – матрица проводимостей, описывающая теплообменные свойства материала (W / °С); Т – температура в узлах, подлежащая определению (°С); Q – сумма векторов, учитывающих конвективный теплообмен, поток тепла через поверхность компонента и внутренние источники тепла компонентов.
В качестве характеристик тепловой нагрузки и температуры, прикладываемой к модулю, учитывались:
• интенсивность распределенной теплоты на единицу площади, применяемая к граням элементов конструкции (W / м2);
• интенсивность распределенной теплоты на единицу объема (W / м3), вычисляемая как отношение энергии, генерируемой компонентом, к объему этого компонента (принято равномерное распределение энергии по объему);
• внешняя температура +40 °С, применяемая к установочной поверхности.
Общее число конечных элементов разбиения составило 53 034. Точность полученных расчетов проверялась путем сгущения сетки конечных элементов. Максимальная разница между значениями температур, вычисленными для основного разбиения, и результатами, полученными при проверочном разбиении на 61 220 элемента, составила ~2,5%; эта величина и является погрешностью вычислений при моделировании.
Картина распределения температур, построенная как совокупность температур в узлах разбиения, представлена на рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты расчетов для структуры, описанной в табл. 2, приведены в табл. 3.
Моделирование проводилось и для других вариантов сочетания толщин металлических слоев, в частности, при постоянной толщине (35 мкм) монтажных слоев и ее наращивании у внутренних, теплоотводящих, при двух (табл. 4) и четырех (табл. 5) таких слоях в структуре основания модуля.
Обобщение результатов моделирования подтвердило вывод, сделанный в работе [2], о том, что максимальная температура компонентов находится в нелинейной зависимости от толщины теплоотводящих слоев многослойной печатной платы. Кроме того, основываясь на значениях температур, приведенных в табл. 3, 4, 5, установлено, что в условиях теплового нагружения, сравнимых с теми, которые приняты в качестве исходных при моделировании, эффективная толщина каждого из теплоотводящих слоев в многослойных структурах составляет:
• для слоев из меди: 70–175 мкм;
• для слоев из алюминия 105–245 мкм.
При практическом проектировании электронных модулей следует учитывать, что вклад в теплоотвод тех слоев МПП, которые несут топологический рисунок, невозможно учесть с абсолютной точностью. Поэтому целесообразно считать, что металл распределен по ним с некоторой средней плотностью, характеризуемой коэффициентом заполненности: отношением суммарной площади металла на данном слое к площади сплошного полигона в границах его топологического рисунка. Учесть при моделировании эффект снижения теплоотвода таким слоем можно, введя его эквивалентную толщину, определяемую как толщина фольги слоя, умноженная на коэффициент заполненности.
ВЫВОДЫ
Проведенное математическое моделирование тепловых режимов многослойной структуры основания модуля, работающего в нормальных атмосферных условиях в негерметичном корпусе, установленного на термостабилизационную платформу с температурой +40 °С, показало, что:
• использование в составе МПП внутренних теплоотводящих слоев позволяет обеспечить температуры компонентов, требующиеся для их нормального функционирования;
• между суммарной толщиной теплоотводящих слоев и количеством отводимого тепла нет линейной зависимости, последняя величина растет медленнее, чем первая;
• наиболее эффективная толщина теплоотводящего слоя из меди находится в пределах 70–175 мкм, из алюминия – 105–245 мкм. Увеличение толщины теплоотводящих слоев сверх указанных значений не приводит к существенному улучшению теплового режима, в то время как стоимость и вес платы увеличиваются. Последнее особенно нежелательно для приборов, применяемых в авиаракетной технике, где весовые характеристики имеют высокий приоритет.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании многослойных печатных плат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хайрнасов К. З. Моделирование и тепловой анализ электронных устройств космических аппаратов // М.: Вестник МАИ. 2013. № 3. Т. 20. С. 134–138.
2. Хайрнасов К. З., Жанаштаева Т. М. Влияние толщины слоев многослойной печатной платы на теплоотвод // Тезисы докладов 16-й Международной конференции «Авиация и космонавтика‑2017». С. 386.
Отзывы читателей
