電路板熱設(shè)計(jì)和熱仿真的關(guān)系

一.熱設(shè)計(jì)的重要性

電源產(chǎn)品電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。

電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升，如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。SMT使電子設(shè)備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設(shè)備溫升嚴(yán)重地影響可靠性，因此，對(duì)熱設(shè)計(jì)的研究顯得十分重要。

二.印制電路板溫升因素分析

引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發(fā)熱強(qiáng)度隨功耗的大小變化。

印制板中溫升的2種現(xiàn)象：

局部溫升或大面積溫升；

短時(shí)溫升或長(zhǎng)時(shí)間溫升。

在分析PCB熱功耗時(shí)，一般從以下幾個(gè)方面來分析。

1，電氣功耗

（1）分析單位面積上的功耗；
（2）分析PCB板上功耗的分布。

2，印制板的結(jié)構(gòu)

（1）印制板的尺寸；
（2）印制板的材料。

3，印制板的安裝方式

（1）安裝方式（如垂直安裝，水平安裝）；
（2）密封情況和離機(jī)殼的距離。

4，熱輻射

（1）印制板表面的輻射系數(shù)；
（2）印制板與相鄰表面之間的溫差和他們的溫度；

5，熱傳導(dǎo)

（1）安裝散熱器；
（2）其他安裝結(jié)構(gòu)件的傳導(dǎo)。

6，熱對(duì)流

（1）自然對(duì)流；
（2）強(qiáng)迫冷卻對(duì)流。

從PCB上述各因素的分析是解決印制板的溫升的有效途徑，往往在一個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)中這些因素是互相關(guān)聯(lián)和依賴的。大多數(shù)因素應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來分析，只有針對(duì)某一具體實(shí)際情況才能比較正確地計(jì)算或估算出溫升和功耗等參數(shù)。

三.熱設(shè)計(jì)原則

1，選材

（1）印制板的導(dǎo)線由于通過電流而引起的溫升加上規(guī)定的環(huán)境溫度應(yīng)不超過125 ℃（常用的典型值。根據(jù)選用的板材可能不同）。

由于元件安裝在印制板上也發(fā)出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這些因素，熱點(diǎn)溫度應(yīng)不超過125 ℃，盡可能選擇更厚一點(diǎn)的覆銅箔。

（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。

（3）采用多層板結(jié)構(gòu)有助于PCB熱設(shè)計(jì)。

2，保證散熱通道暢通

（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術(shù)建立合理有效的低熱阻通道，保證熱量順利導(dǎo)出PCB；

（2）散熱通孔的設(shè)置 ：
設(shè)計(jì)一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在LCCC器件的焊盤上設(shè)立導(dǎo)通孔。在電路生產(chǎn)過程中焊錫將其填充，使導(dǎo)熱能力提高，電路工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設(shè)置的銅箔散發(fā)掉。

在一些特定情況下，專門設(shè)計(jì)和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板；

（3）導(dǎo)熱材料的使用：
為了減少熱傳導(dǎo)過程的熱阻，在高功耗器件與基材的接觸面上使用導(dǎo)熱材料，提高熱傳導(dǎo)效率；

（4）工藝方法 ：
對(duì)一些雙面裝有器件的區(qū)域容易引起局部高溫，為了改善散熱條件，可以在焊膏中摻入少量的細(xì)小銅料，再流焊后在器件下方焊點(diǎn)就有一定的高度。

使器件與印制板間的間隙增加，增加了對(duì)流散熱。

3，元器件的排布要求

（1）對(duì)PCB進(jìn)行軟件熱分析，對(duì)內(nèi)部溫升進(jìn)行設(shè)計(jì)控制；

（2）可以考慮把發(fā)熱高、輻射大的元件專門設(shè)計(jì)安裝在一個(gè)印制板上；

（3）板面熱容量均勻分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如無法避免，則要把矮的元件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風(fēng)量流經(jīng)熱耗集中區(qū)；

（4）使傳熱通路盡可能的短；

（5）使傳熱橫截面盡可能的大；

（6）元器件布局應(yīng)考慮到對(duì)周圍零件熱輻射的影響。對(duì)熱敏感的部件、元器件（含半導(dǎo)體器件）應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或?qū)⑵涓綦x；

（7）（液態(tài)介質(zhì)）電容器的遠(yuǎn)離熱源；

（8）注意使強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)方向一致；

（9）附加子板、器件風(fēng)道與通風(fēng)方向一致；

（10）盡可能地使進(jìn)氣與排氣有足夠的距離；

（11）發(fā)熱器件應(yīng)盡可能地置于產(chǎn)品的上方，條件允許時(shí)應(yīng)處于氣流通道上；

（12）熱量較大或電流較大的元器件不要放置在印制板的角落和四周邊緣，只要有可能應(yīng)安裝于散熱器上，并遠(yuǎn)離其他器件，并保證散熱通道通暢；

（13）（小信號(hào)放大器外圍器件）盡量采用溫漂小的器件；

（14）盡可能地利用金屬機(jī)箱或底盤散熱。

4，布線時(shí)的要求

（1）板材選擇（合理設(shè)計(jì)印制板結(jié)構(gòu)）；

（2）布線規(guī)則；

（3）根據(jù)器件電流密度規(guī)劃通道寬度；特別注意接合點(diǎn)處通道布線；

（4）大電流線條盡量表面化；在不能滿足要求的條件下，可考慮采用匯流排；

（5）要盡量降低接觸面的熱阻。為此應(yīng)加大熱傳導(dǎo)面積；接觸平面應(yīng)平整、光滑，必要時(shí)可涂 覆導(dǎo)熱硅脂；

（6）熱應(yīng)力點(diǎn)考慮應(yīng)力平衡措施并加粗線條；

（7）散熱銅皮需采用消熱應(yīng)力的開窗法，利用散熱阻焊適當(dāng)開窗；

（8）可能采用表面大面積銅箔；

（9）對(duì)印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤，以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進(jìn)行散熱

（10）盡可能多安放金屬化過孔，且孔徑、盤面盡量大，依靠過孔幫助散熱；

（11）器件散熱補(bǔ)充手段；

（12）采用表面大面積銅箔可保證的情況下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮可不采用附加散熱器的方法；

（13）根據(jù)器件功耗、環(huán)境溫度及允許結(jié)溫來計(jì)算合適的表面散熱銅箔面積（保證原則tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

四.熱仿真（熱分析）

熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能，幫助設(shè)計(jì)人員確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎摹?/span>

簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度，復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。

無論分析人員在對(duì)電子設(shè)備、PCB以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼，熱分析的準(zhǔn)確程度終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性。

在許多應(yīng)用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的實(shí)際功耗很小，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)過高，從而使PCB的設(shè)計(jì)采用與實(shí)際不符或過于保守的元件功耗值作為根據(jù)進(jìn)行熱分析。

與之相反（同時(shí)也更為嚴(yán)重）的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過低，也即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)的要高，此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB進(jìn)行冷卻來解決。

這些外接附件增加了成本，而且延長(zhǎng)了制造時(shí)間，在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來一層不穩(wěn)定因素，因此PCB現(xiàn)在主要采用主動(dòng)式而不是被動(dòng)式冷卻方式（如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱），以使元件在較低的溫度范圍內(nèi)工作。

熱設(shè)計(jì)不良終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性，這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生，花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。

應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗，以免降低PCB設(shè)計(jì)效率。

1，元件功耗計(jì)算

準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過程，PCB設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。

設(shè)計(jì)人員先猜測(cè)一個(gè)元件工作環(huán)境溫度或從初步熱分析中得出估計(jì)值，并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中，計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”（或熱點(diǎn)）的溫度，第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過程的輸入。

在理想的情況下，該過程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹?。然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力，他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作。

一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度，使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗，通過進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要作其他工作。

一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格，包括正常工作的溫度。

元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響，消費(fèi)類電子產(chǎn)品常采用塑封元件，其工作溫度是85 ℃；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷件，工作溫度為125 ℃，額定溫度通常是105 ℃。PCB設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。

計(jì)算元件溫度準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和差狀況分析。

PCB受到各種類型熱量的影響，可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括：前后表面發(fā)出的自然或強(qiáng)制對(duì)流，前后表面發(fā)出的熱輻射，從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo)，通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo)，從PCB到支架（螺栓或粘合固定）的傳導(dǎo)，2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)。

目前有很多種形式的熱模擬工具，基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具，以及用于詳細(xì)PCB和元件建模的PCB應(yīng)用工具。

2，基本過程

在不影響并有助于提高系統(tǒng)電性能指標(biāo)的前提下，依據(jù)提供的成熟經(jīng)驗(yàn)，加速PCB熱設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)及熱分析預(yù)估及器件級(jí)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過板級(jí)熱仿真預(yù)估熱設(shè)計(jì)結(jié)果，尋找設(shè)計(jì)缺陷，并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案或變更器件級(jí)解決方案。

通過熱性能測(cè)量對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過預(yù)估-設(shè)計(jì)-測(cè)量-反饋循環(huán)不斷的實(shí)踐流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度，補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。