電路板元件布局對(duì)冷卻的影響分析案例1.1不同布局對(duì)換熱的影響合理的元件配置對(duì)提升散熱能力尤為重要，尤其是對(duì)于垂直放置的PCB。圖22是兩種不同的排列方式，在不同情況下，我們選擇不同的方式。圖22（b）是垂直排列，在空氣自然對(duì)流冷卻情況下使用。反之，圖22（a),在強(qiáng)制對(duì)流冷卻情況下采用。而圖23是一種能夠增強(qiáng)冷卻散熱能力的方法，在元件中穿插湍流排，冷卻風(fēng)流過時(shí)，靠近元件的部分產(chǎn)生渦流，增強(qiáng)換熱能力，從而提高電路板的冷卻能力。圖22：元器件配置圖23：使用湍流排的電路板圖24：不同配置的電路板除此之外，在配置電路板時(shí)，還應(yīng)該注意散熱部件的位置，不同的零件功率不盡相同，有大功率的變壓器、電阻等，也有產(chǎn)生熱量較少的部件，如電容器等。圖24就展示了兩種不同配置的電路板，在圖24(b)中，由于熱空氣的上升，將下部大功率器件產(chǎn)生的熱量帶到上部，使上部元件受到影響，尤其是電容器，很容易發(fā)生故障或失效。因此應(yīng)該在上風(fēng)處安裝低熱量部件，在下風(fēng)處安裝高熱量部件[9]。圖25耗功不同的元件排列同時(shí)，除了注意上述問題外，還應(yīng)該注意散熱的均勻性。假定SSI功率為0.3W，LSI為1.5W。如果按圖25(a)來配置。溫升為18-50℃。此時(shí)，如果溫度上升50℃，LSI失效率會(huì)變得更高。如果按照圖25(b)來配置，溫度升為23-40℃。低了10℃，這就是均勻散熱。因此，應(yīng)該在下風(fēng)處安裝更需要充分散熱的元器件，使整個(gè)電路板失效率下降。圖26：元器件配置最后，因?yàn)樵O(shè)備中的散熱依靠氣流，所以需要考慮氣體流動(dòng)來合理安裝零件。當(dāng)電路板某些區(qū)域留有大空間時(shí)，空氣會(huì)流向這些小阻力區(qū)域，從而降低零件集中區(qū)域的散熱能力，因此我們可以在這些區(qū)域安排一些不用的器件，從而提高冷卻效果，如圖26（a）和圖26(b)所示。同樣的，圖26(c)中旁邊兩排基本不透氣，散熱效果大打折扣，而修改成圖26(d)的樣式，就可使空氣流動(dòng)均勻，提高了整體的散熱效果。[5]綜上所述，為了提高電路板的冷卻能力，我們要考慮各種各樣的問題，包括元件排列，元件安裝位置等等。根據(jù)垂直情況下元件排列不同創(chuàng)建了以下五個(gè)模型，如圖27所示。表13和表14為原始尺寸和替他參數(shù)。表13原始尺寸如下：IC板硅片空氣大小長(mm)1602015160寬(mm)22210表14模型的參數(shù)名稱表達(dá)式描述q_source(2/3)*1.5[W]/(20*20*2)[mm3]1.25E6W/m3在每個(gè)單位上的發(fā)熱功率T0300[K]300.00K空氣溫度Patm1[atm]1.0133E5Pa冷卻介質(zhì)壓力圖27：不同大小的硅片的排列使用comsol模擬分析較大硅片在不同排列順序下散熱下速度場和溫度場結(jié)果：圖28：，comsol所模擬出來的圖形（按照不同的排列）分析上述各圖，縱向來看冷卻風(fēng)在入口處的溫度還比較低，所以此時(shí)冷卻效果很強(qiáng)。而往上走，空氣攜帶了下部元件的散熱量，溫度要升高不少，因此換熱效果要差很多。橫向來看，元件底部空氣流通不暢，因此換熱效果差，熱量不能被帶走，溫度較高，而元件頂部空間狹小，空氣流通速度快，因此換熱效果強(qiáng)，溫度較低。而對(duì)于大功率元件的安排，從圖中可以看出，在垂直方向上，大功率元件安裝越低，整個(gè)電路板的冷卻效果越差。因?yàn)楫?dāng)大功率元件散熱后，空氣會(huì)帶著大量熱去冷卻上面的元件，空氣溫度高，冷卻效果差。綜上所述，為了減少大功率元件對(duì)其他元件散熱的影響，應(yīng)該把其安裝到垂直電路板上方。1.2冷卻效果的數(shù)據(jù)驗(yàn)證同時(shí)使用matlab進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果，見表15和表16（大硅片排列安裝從上至下依次為順序1-5)。表15計(jì)算出按照硅片大小不同排列速度場的評(píng)價(jià)指標(biāo)：速度場順序1順序2順序3順序4順序5平均值0.16030.16070.16140.16170.1623方差0.13840.13920.13960.14040.1408平滑度0.01880.01900.01910.01930.0196三階矩0.00110.00110.00110.00110.0011一致性0.00940.00940.00940.00940.0094熵1.0225e+031.0214e+031.0285e+031.0304e+031.0314e+03表16計(jì)算出按照硅片大小不同排列溫度場的評(píng)價(jià)指標(biāo)：溫度場順序1順序2順序3順序4順序5平均值366.5710367.1348367.6988368.0305368.3329方差32.935032.686032.478532.254932.0618平滑度0.99910.99910.99910.99910.9991三階矩-4.7685e+03-7.0574e+03-9.5910e+03-1.1157e+04-3.142e+04一致性8.3928e-058.3914e-058.3626e-058.4005e-058.4005e-05熵-1.9094e+10-1.9164e+10-1.9290e+10-1.9235e+10-1.9235e+10從上述兩表以看出，隨著大功率元件的向下安裝，溫度的平均值逐漸增加，會(huì)影響到電路板的換熱，容易出現(xiàn)故障，因此應(yīng)采用順序1，即大功率元件靠上安裝，符合comsol得出的結(jié)論。速度場方差隨均值的增加也