金融稅控收款機PCBA熱設計和熱分析

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熱設計和熱分析楊俊逸,謝家文,何彩英,李亞濤,夏冬梅(長(cháng)城開(kāi)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、保密性設計使得其PCBA熱設計和熱測試侃為困難,為此基于傳熱學(xué)基本原理對PCB及元器件布局進(jìn)行了熱設計,并應用 Icepak熱分析軟件對PCBA的熱設計方案進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬,獲得了PCBA四種工作模式充電狀態(tài)下的溫度分布。數值模擬結果表明:除防護墻內的元件外,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(jìn)行了PCBA熱測試,測試結果表明:元器件溫度都處于正常工作范圍,教值模擬結果與實(shí)驗值也吻合得較妤,說(shuō)明文中熱設計和熱分析的有效性。關(guān)鍵詞:熱設計;熱分析; cepa;金融稅控收款機中圖分類(lèi)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引言溫度成指數關(guān)系增長(cháng),工作溫度升高10℃,失效率增大一倍以上。因此熱設計在電子結構設計中是不可忽隨著(zhù)電子元器件及電子產(chǎn)品功率密度的不斷增視的環(huán)節研究高效率、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)品的運行穩定性具有重要的意義。要因素。如果各種發(fā)熱元件散出來(lái)的熱量不能夠及時(shí)與一般電子產(chǎn)品的電路板設計不同,金融稅控收排出去,就會(huì )造成熱量的聚集,從而導致各個(gè)元器件的款機的電路板設計要求既要有一定的穩定性又要有溫度超過(guò)其所能承受的溫度極限,使得電子設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,電子設備的失效有55%小空間這樣一來(lái)給熱測試帶來(lái)困難,同時(shí)由于芯片所是由于溫度超過(guò)規定值而引起的,保證工作穩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(cháng)使用壽命元件芯片的最高溫度不得超過(guò)問(wèn)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(lái)的熱CNMHG·收稿日期:2009-12-2918電子機械工程第26卷文中首先根據熱設計基本原理及工程經(jīng)驗,對金境及根據電路設計所選用的元器件的最高許用溫度。融稅控收款機的PCBA進(jìn)行了熱設計;之后應用lce表14給出了常見(jiàn)元器件表面溫度允許值。由于金融ak熱分析軟件對熱設計方案進(jìn)行了熱仿真,得到不稅控收款一般在有空調的室內使用,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熱設計時(shí)布;最后通過(guò)熱測試檢驗了熱設計和熱分析的有效性。取30℃,根據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熱設計經(jīng)計算并考慮到設備的穩定性,確定采用自然冷卻的散熱方法。在進(jìn)行熱設計之前,必需了解設備所處的實(shí)際環(huán)表1元器件表面溫度允許值元器件名稱(chēng)表面允許溫度/℃元器件名稱(chēng)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(xiàn)繞電阻電子管印制電阻85CMOS全密封扁平封裝l25涂漆線(xiàn)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小規模集成電路25-125云母電容器70-120TTL中規模集成電路PCB的熱設計涉及導體圖形線(xiàn)寬和厚度的選取,完成的金融稅控收款機PCBA熱設計如圖1所散熱通孔、盲孔的設計及材質(zhì)、層數的確定等。根據電示。路要求及工程實(shí)際,金融稅控收款機的印制電路板熱設計采用三塊水平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(lái),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(xiàn);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?chē)_(kāi)設散熱通孔,孔徑為0.6圖1PCBA熱設計3D圖元器件的選用與布局根據以下方法進(jìn)行:(1)為避免PCB上的熱點(diǎn)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(dòng)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(shí)在封裝守恒方程、動(dòng)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(xiàn)橫截面積大、長(cháng)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(cháng)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;S為廠(chǎng)義源項。式(1)中各項依次屬薄層,開(kāi)設散熱通孔。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熱設計和熱分析PCBA的熱設計被視為穩態(tài)過(guò)程,根據式(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進(jìn)行積分,并引入邊界條件,便可以得到求解變量的數值解。圖2 Icepak模型2.2模型建立讀取磁條信息→數據傳輸→打印信息三個(gè)階段,歷時(shí)由于金融稅控收款機PCBA結構非常復雜,涉及到60s左右,每個(gè)階段,參入的電路模塊不一樣,分配的的封裝種類(lèi)繁多如果進(jìn)行實(shí)體建模不僅建模困難,而功率也不樣,這樣一來(lái)給金融稅控收款機的熱分析帶且也為后續的網(wǎng)格劃分計算求解帶來(lái)巨大困難甚至來(lái)很大困難。為便于分析我們將其工作過(guò)程分為四無(wú)法求解或者求解時(shí)間十分漫長(cháng)。因此進(jìn)行適當的模種模式來(lái)進(jìn)行分析,即待機模式、讀卡模式數據傳輸型簡(jiǎn)化處理是必要的,在熱分析中也是允許的。2.2.1PCB的簡(jiǎn)化模式及打印信息模式,每種模式都視作穩態(tài)過(guò)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(gè)工作過(guò)程它也是安其等效熱導率按如下公式計算全的。這樣一來(lái)方便耗散功率的確定,根據試驗測量K,=Σ(K41)/(∑1)和理論計算將每種模式下各個(gè)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(jìn)行初始條件和邊界條件的設置層的厚度f(wàn)為銅層含量對于絕緣層J取1;K為材料氣流:空氣、穩態(tài)、紊流;的熱導率。環(huán)境溫度:30℃2.22電阻、電容、電感的簡(jiǎn)化加入輻射、重力加速度影響;對于小規格尺寸的電阻、電容、電感,其發(fā)熱量微求解域邊界:開(kāi)放,溫度為環(huán)溫。小,同時(shí)對自然對流的影響不大,建模時(shí)將其略去;對網(wǎng)格劃分采用HD網(wǎng)格,在HP工作站上進(jìn)行劃于大尺寸低功耗的電阻、電容電感由于其對流場(chǎng)有分,單元數2362102;節點(diǎn)數:2420895。定影響,但對熱傳導影響不大,因此建模時(shí)考慮成絕2.5模擬結果緣體;對于功率型電阻電容、電感根據工程經(jīng)驗將在HP工作站上進(jìn)行并行計算將計算結果進(jìn)行其熱導率設為20W/mk。后處理,得到數據傳輸充電狀態(tài)下的PCBA溫度分布2.2.3封裝元件的簡(jiǎn)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點(diǎn)溫在正常工作溫度范圍內,最高溫度不超過(guò)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(chǎng)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(guò)程中,其功耗最高可達1.5W,平均功用雙熱阻模型或者簡(jiǎn)化成塊體并根據工程經(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)被密封于保護墻內但其溫度也在經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化處理,得到金融稅控收款機PCBA八下圖4可以看出結占最高溫度498℃)說(shuō)平面熱源,它們所產(chǎn)生的熱量將直接進(jìn)入PCB。50℃中國煤化工Icepak熱分析模型如圖2所示CNMH(收據傳輸打印)下2.3耗散功率的確定主要發(fā)熱元件溫度的比較見(jiàn)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(gè)元器件的溫度都在其安全溫度范圍內,電子機械工程第26卷其中防護墻內元件(U1,U8,U9,U6)溫度基本保持不變,說(shuō)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,數據傳輸模式下,除了防護墻內元器件無(wú)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結點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行測試,并通過(guò)數據采集卡每10s采集一次溫度。圖3PCBA溫度分布為便于測試,只進(jìn)行了待機充電過(guò)程的熱測試測試結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數據傳輸46844.645.861452.251.240.541.671.760.7打印46.64.245.560.050.950.038.839.771.660.4果與模擬結果見(jiàn)表3。從表3中可以看出模擬結果4結論與實(shí)際測量結果非常接近,模擬分析的最大誤差約為8%,完全滿(mǎn)足工程設計要求。自然散熱是最穩定、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(chǎng)模擬,并進(jìn)行了樣機熱測試,測試結果驗證了熱分析模型的有效性與實(shí)用性,為以后PCBA的優(yōu)化設計及整機結構優(yōu)化奠定了基礎。參考文獻[1] Janicki M, Napieralski A. Modeling electronic circuit radia圖5實(shí)際測試照片tion cooling using analytical thermal model J]. Microelec表3模擬結果和實(shí)際測試結果的對tronics Jounal,2003,31(9-10):781-785[2]Chein Reiyu, Huang, Guanming. Thermoelectric cooler ap-對比項模擬溫度/℃測試溫度/℃相對誤差/%plication in elecronic cooling[ J]. Applied Thermal Engi-2.8eening,2004,24(14-15):2207-22178.1[3]Peterson G P. An introduction to heat pipes-modeling, tes40.340.70.7ting, and applicatins J] John Wiley &Sons, Inc.NewD445.544.5[4]坵地壯和熱分析[.現代電44.44.0中國煤化工32.76.1[5]u167.9CNMHG5技術(shù)(第二版)M34.0八八于山T,∠00835.9[6]王福軍.計算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應用[M].北京清華大學(xué)出版社,2004