電子基板の熱応力解析

電子基板では、素子発熱時の熱膨張・収縮による変形の恐れがあります。そのため、電子基板の熱設計時には、素子と基板への熱応力を把握することが重要と考えられます。
今回は、FLOEFDのStructuralモジュールを用いて、素子発熱時の温度分布とミーゼス応力を計算していきます。

条件設定

■　モデル形状と材料
図１にモデルの外観を示します。基板や素子を見やすくするために、ケースは半透明として表示しています。

図１：モデルの外観

今回、素子発熱時の温度分布とミーゼス応力を計算するにあたり、1つの素子（素子QFN）に注目し、詳細なモデルを用いました。素子QFNの拡大図と材料を図2に示します。

図２：素子QFNの拡大図と材料

その他部品の材料は、ケースをアルミニウム合金、素子と基板をプラスチックとしています。

■　拘束と熱源の設定
変形を把握しやすくするため、図3で示す拘束を設定して筐体の動きを指定しました。

図３：拘束の設定

熱源の設定では、種々の素子に、図4で示す発熱量を設定しました。

図４：熱源の設定

■　その他解析条件
基板の伝熱特性のモデル化には、SmartPCBオプションを使用しました。また、表２にその他解析条件を示します。

表２：その他解析条件

解析結果

図5に、固体温度のコンターを示します。

図５：固体温度のコンター

温度分布から、素子QFN周囲の温度が高いことが分かりました。このことから、素子QFN周辺で熱応力が大きいことが予想されます。

そこで、ミーゼス応力を可視化し、素子QFN周辺の熱応力を考察します。図6に素子QFN周辺のミーゼス応力のコンターを示します。

図６：ミーゼス応力のコンター（拡大）

ミーゼス応力は、基板と素子（リード）を接着するはんだにおいて大きいことが分かりました。このことから、素子の発熱で熱膨張・収縮を繰り返すにつれ、はんだ部分に金属疲労が蓄積し、破断する恐れがあると考えられます。

まとめ

今回の解析事例では、電子基板の熱応力解析を取り上げました。解析結果から、素子発熱時の温度分布とミーゼス応力を可視化しました。電子基板の熱応力は、素子と基板を接着するはんだ部分で大きいことが分かりました。
このように、電子基板の熱設計時には、素子と基板への熱応力を把握し、有効な熱対策を行うことが重要と考えられます。また、Simceter FLOEFDでは、熱流体-構造連成解析の全工程を日頃お使いのCAD画面上で実施することが可能です。

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備考

デフォルト流体	空気
解析タイプ	外部流れ＋定常＋線形静解析
メッシュ（熱流体）	270,000 cells
メッシュ（構造）	1,590,000 要素

使用ソフト	Simcenter FLOEFD
オプション	Structuralモジュール、または、EVモジュール
計算時間	20分
CPU	Intel(R) Xeon(R) Platinum 8260 CPU @ 2.40GHz