2010年第26卷第3期電子機槭工翟2010.Vol.26No.3Electro- Mechanical Engineering金融稅控收款機PCBA熱設(shè)計和熱分析楊俊逸,謝家文,何彩英,李亞濤,夏冬梅(長城開發(fā)科技股份有限公司,深圳518035)摘要:金融稅控收款機小型化、保密性設(shè)計使得其PCBA熱設(shè)計和熱測試侃為困難,為此基于傳熱學基本原理對PCB及元器件布局進行了熱設(shè)計,并應用 Icepak熱分析軟件對PCBA的熱設(shè)計方案進行了溫度場模擬,獲得了PCBA四種工作模式充電狀態(tài)下的溫度分布。數(shù)值模擬結(jié)果表明:除防護墻內(nèi)的元件外,讀卡模式元器件的溫度明顯高于其它模式相應元器件的溫度,進行了PCBA熱測試,測試結(jié)果表明:元器件溫度都處于正常工作范圍,教值模擬結(jié)果與實驗值也吻合得較妤,說明文中熱設(shè)計和熱分析的有效性。關(guān)鍵詞:熱設(shè)計;熱分析; cepa;金融稅控收款機中圖分類號:TN03;TK124文獻標識碼:B文章編號:1008-5300(2010)03-0017-04Thermal Design and Analysis of PCBA for Finance Fiscal Cash RegisterYANG Jun-yi, XIE Jia-wen, HE Cai-yin, Li Ya-tao, XIA Dong-meiShenzhen Changcheng Kaifa Technology Co., LTD, Shenzhen 518035, China)Abstract: Thermal design and thermal testing of Finance Fiscal Cash Register( FFCR) are becoming more difficult because of its miniaturization and confidentiality. For this reason, a thermal design based on heat trans-fer for PCBa of FFCR is conducted, and Icepak thermal analysis software package is used to carry out numerical simulation of temperature field of PCBA for obtaining temperature distribution of PCBa under the conditions of 4 operating modes model of charging state. The numerical simulation result shows that component tem-perature of data transfer model is significantly higher than that of other operating modes except the componentsprotected by the wall. Thermal test is carried out to verify thermal design and thermal analysis of PCBa of FFCR. The result shows that component temperature is within its reliability temperature range, the result of numerical simulation is in good agreement with the thermal test result, showing the validity of thermal design andKey words: thermal design; icepak; thermal simulation; finance fiscal cash register0引言溫度成指數(shù)關(guān)系增長,工作溫度升高10℃,失效率增大一倍以上。因此熱設(shè)計在電子結(jié)構(gòu)設(shè)計中是不可忽隨著電子元器件及電子產(chǎn)品功率密度的不斷增視的環(huán)節(jié)研究高效率、低成本、環(huán)境友好的散熱方法加,產(chǎn)品小型化的要求溫度已成為影響其可靠性的主對提高電子產(chǎn)品的運行穩(wěn)定性具有重要的意義。要因素。如果各種發(fā)熱元件散出來的熱量不能夠及時與一般電子產(chǎn)品的電路板設(shè)計不同,金融稅控收排出去,就會造成熱量的聚集,從而導致各個元器件的款機的電路板設(shè)計要求既要有一定的穩(wěn)定性又要有溫度超過其所能承受的溫度極限,使得電子設(shè)備的可一定的保密性。因此一些關(guān)鍵芯片往往布置于密封的靠性大大降低。有資料表明,電子設(shè)備的失效有55%小空間這樣一來給熱測試帶來困難,同時由于芯片所是由于溫度超過規(guī)定值而引起的,保證工作穩(wěn)定性處空間狹小密閉,空氣對流不通暢其散熱也成一定和延長使用壽命元件芯片的最高溫度不得超過問題85℃(2。10℃法則3也表明:電子元件失效率隨工作量通YH中國煤化工將芯片散出來的熱CNMHG·收稿日期:2009-12-2918電子機械工程第26卷文中首先根據(jù)熱設(shè)計基本原理及工程經(jīng)驗,對金境及根據(jù)電路設(shè)計所選用的元器件的最高許用溫度。融稅控收款機的PCBA進行了熱設(shè)計;之后應用lce表14給出了常見元器件表面溫度允許值。由于金融ak熱分析軟件對熱設(shè)計方案進行了熱仿真,得到不稅控收款一般在有空調(diào)的室內(nèi)使用,環(huán)境溫度一般為同工作模式、不同狀態(tài)下的PCB及元器件的溫度分25℃左右考慮到加蓋后溫升的影響PCBA熱設(shè)計時布;最后通過熱測試檢驗了熱設(shè)計和熱分析的有效性。取30℃,根據(jù)熱流密度與溫差及散熱方法的關(guān)系1金融稅控收款機PCBA熱設(shè)計經(jīng)計算并考慮到設(shè)備的穩(wěn)定性,確定采用自然冷卻的散熱方法。在進行熱設(shè)計之前,必需了解設(shè)備所處的實際環(huán)表1元器件表面溫度允許值元器件名稱表面允許溫度/℃元器件名稱表面允許溫度/℃變壓器、扼流圈陶瓷電容器金屬膜電阻玻璃陶瓷電容器碳膜電阻器硅晶體管鈀膜電阻鍺晶體管壓制線繞電阻電子管印制電阻85CMOS全密封扁平封裝l25涂漆線繞電阻陶瓷直插、黑瓷直插紙介電容器CMOs塑料直插薄膜電容器TL小規(guī)模集成電路25-125云母電容器70-120TTL中規(guī)模集成電路PCB的熱設(shè)計涉及導體圖形線寬和厚度的選取,完成的金融稅控收款機PCBA熱設(shè)計如圖1所散熱通孔、盲孔的設(shè)計及材質(zhì)、層數(shù)的確定等。根據(jù)電示。路要求及工程實際,金融稅控收款機的印制電路板熱設(shè)計采用三塊水平PCB堆疊而成,最上面為四層電路板,板厚為1.6mm,材質(zhì)為FR4和純銅;中間為6層電路板,直接焊在最上面電路板底面中心部位,并用防護墻將其密封起來,為了提高散熱效果,中間電路板均布散熱孔,孔徑為0.25mm,防護墻材質(zhì)為FR4,并在表面密布細微銅線;最下面為4層電路板,材質(zhì)為FR4和純銅,并在發(fā)熱量較大的電源模塊等部件周圍開設(shè)散熱通孔,孔徑為0.6圖1PCBA熱設(shè)計3D圖元器件的選用與布局根據(jù)以下方法進行:(1)為避免PCB上的熱點的集中,將功率器件均金融稅控收款機PCBA熱分析勻地分布在PCB板上;(2)將溫度敏感的元件放在電路板底部,并盡可2.1控制方程能選用體積大的元器件流體流動要受三大物理守恒方程的支配,即質(zhì)量(3)選用散熱效果好的封裝芯片,安裝時在封裝守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程,可以用通用底部涂硅膠,保持與PCB的良好接觸;形式描述以上方程4)選用引線橫截面積大、長度短,管腳多的元器a(p),(puφ),叭(p),0(p更件,以利于熱量的傳導;at(5)盡可能將元件最長的尺寸垂直放置,并將它a/aΦ(1)們在水平方向交錯布置;中國煤化工(6)對于發(fā)熱量大的電源模塊等部件,將它們布式中CNMHG、w、T等求解變量;置于最下面的電路板底部,并在接觸部位附近涂覆金r為廣又擴散殺數(shù);S為廠義源項。式(1)中各項依次屬薄層,開設(shè)散熱通孔。為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。第3期楊俊逸,等:金融稅控收款機PCBA熱設(shè)計和熱分析PCBA的熱設(shè)計被視為穩(wěn)態(tài)過程,根據(jù)式(1),可得到PCBA對流換熱的通用方程式a(puφ)+叫pφ)+叫pφ)=a/r aia( aidl ag利用有限體積法對上述控制微分方程在控制容積內(nèi)進行積分,并引入邊界條件,便可以得到求解變量的數(shù)值解。圖2 Icepak模型2.2模型建立讀取磁條信息→數(shù)據(jù)傳輸→打印信息三個階段,歷時由于金融稅控收款機PCBA結(jié)構(gòu)非常復雜,涉及到60s左右,每個階段,參入的電路模塊不一樣,分配的的封裝種類繁多如果進行實體建模不僅建模困難,而功率也不樣,這樣一來給金融稅控收款機的熱分析帶且也為后續(xù)的網(wǎng)格劃分計算求解帶來巨大困難甚至來很大困難。為便于分析我們將其工作過程分為四無法求解或者求解時間十分漫長。因此進行適當?shù)哪７N模式來進行分析,即待機模式、讀卡模式數(shù)據(jù)傳輸型簡化處理是必要的,在熱分析中也是允許的。2.2.1PCB的簡化模式及打印信息模式,每種模式都視作穩(wěn)態(tài)過程并有充電與非充電狀態(tài)。分析認為,如果每種模式下元器對于多層電路板,由于其復雜性,采用塊體模件的溫度都是安全的,那么在整個工作過程它也是安其等效熱導率按如下公式計算全的。這樣一來方便耗散功率的確定,根據(jù)試驗測量K,=Σ(K41)/(∑1)和理論計算將每種模式下各個元件的耗散功率輸人K=ΣΣ(t1/K)(3b)Icepak熱分析軟件中。K:=fK(3c)2.4初始邊界條件的設(shè)置及網(wǎng)格劃分式中K、K分別為沿板面和垂直板面的熱導率;為在 Icepak軟件中進行初始條件和邊界條件的設(shè)置層的厚度f為銅層含量對于絕緣層J取1;K為材料氣流:空氣、穩(wěn)態(tài)、紊流;的熱導率。環(huán)境溫度:30℃2.22電阻、電容、電感的簡化加入輻射、重力加速度影響;對于小規(guī)格尺寸的電阻、電容、電感,其發(fā)熱量微求解域邊界:開放,溫度為環(huán)溫。小,同時對自然對流的影響不大,建模時將其略去;對網(wǎng)格劃分采用HD網(wǎng)格,在HP工作站上進行劃于大尺寸低功耗的電阻、電容電感由于其對流場有分,單元數(shù)2362102;節(jié)點數(shù):2420895。定影響,但對熱傳導影響不大,因此建模時考慮成絕2.5模擬結(jié)果緣體;對于功率型電阻電容、電感根據(jù)工程經(jīng)驗將在HP工作站上進行并行計算將計算結(jié)果進行其熱導率設(shè)為20W/mk。后處理,得到數(shù)據(jù)傳輸充電狀態(tài)下的PCBA溫度分布2.2.3封裝元件的簡化云圖,如圖3所示。由圖3可以看出,元器件溫度都處對于關(guān)鍵的封裝元件,必須較精確地捕捉結(jié)點溫在正常工作溫度范圍內(nèi),最高溫度不超過7℃,查電度因此采用詳細的封裝模型或 DELPHIP模型建模;路圖可知,此溫度所代表的元件為場效應管屬于充電對于高功耗、高功率密度和對溫度敏感的封裝元件采模塊在充電過程中,其功耗最高可達1.5W,平均功用雙熱阻模型或者簡化成塊體并根據(jù)工程經(jīng)驗對塑耗都在750mW以上,屬于功耗最大的元件之一,因料封裝的元件熱導率取6W/m,對陶瓷封裝的元件此其溫度比較高。由圖3還可以看出,雖然一些關(guān)鍵取20W/mk;對于已知熱功耗但并不重要的元件作為芯片(U,U,U8)被密封于保護墻內(nèi)但其溫度也在經(jīng)過以上簡化處理,得到金融稅控收款機PCBA八下圖4可以看出結(jié)占最高溫度498℃)說平面熱源,它們所產(chǎn)生的熱量將直接進入PCB。50℃中國煤化工Icepak熱分析模型如圖2所示CNMH(收據(jù)傳輸打印)下2.3耗散功率的確定主要發(fā)熱元件溫度的比較見表2,可以看出在各種工金融稅控收款機完成一次刷卡交易,一般要經(jīng)歷作模式下,各個元器件的溫度都在其安全溫度范圍內(nèi),電子機械工程第26卷其中防護墻內(nèi)元件(U1,U8,U9,U6)溫度基本保持不變,說明外界其它元器件功耗的變化對其影響不大由表2還可以看出,數(shù)據(jù)傳輸模式下,除了防護墻內(nèi)元器件無明顯變化外,其它元器件都有不同程度的溫升,大約2℃左右。這是由于高功耗GPRS模塊的參人,使得PCBA整體溫度有所提高,防護墻內(nèi)元件因與外界隔絕受影響很小,所以溫度變化不明顯。圖4U結(jié)點溫度分布3熱測試驗證將金融稅控收款機PCBA樣機放人自然對流環(huán)境箱中進行熱測試箱體尺寸、材質(zhì)按照 JEDEC標準樣機測試如圖7所示,環(huán)境溫度為25℃,采用J型熱電偶進行測試,并通過數(shù)據(jù)采集卡每10s采集一次溫度。圖3PCBA溫度分布為便于測試,只進行了待機充電過程的熱測試測試結(jié)2不同工作模式下主要發(fā)熱元件溫度的比較工作模式UU8U9DQ13Q4U15U6Q5U6待機46.343.945459.450.649.738.639.771.060.4讀卡46444.145.459.750.849938.739771.360.4數(shù)據(jù)傳輸46844.645.861452.251.240.541.671.760.7打印46.64.245.560.050.950.038.839.771.660.4果與模擬結(jié)果見表3。從表3中可以看出模擬結(jié)果4結(jié)論與實際測量結(jié)果非常接近,模擬分析的最大誤差約為8%,完全滿足工程設(shè)計要求。自然散熱是最穩(wěn)定、可靠的一種散熱方法。本文基于 Icepak熱分析軟件建立了金融稅控收款機PCBA的熱分析模型,獲得了四種工作模式下的溫度場模擬,并進行了樣機熱測試,測試結(jié)果驗證了熱分析模型的有效性與實用性,為以后PCBA的優(yōu)化設(shè)計及整機結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。參考文獻[1] Janicki M, Napieralski A. 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