封裝/ PCB系統(tǒng)的熱分析：挑戰(zhàn)和解決方案

越來越多的封裝/ PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要熱分析。功耗是封裝/ PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，需要仔細(xì)考慮熱區(qū)域和電氣區(qū)域。為了更好地理解熱分析，我們可以以固體中的熱傳導(dǎo)為例，并使用兩個(gè)域的對(duì)偶性。圖1和表1給出了電場(chǎng)和熱場(chǎng)之間的基本和基本關(guān)系。

圖1.電域和熱域之間的基本關(guān)系

電和熱域之間存在一些差異，例如：

• 在電學(xué)領(lǐng)域，電流被限制在特定電路元件內(nèi)流動(dòng)，但在熱域中，熱流通過三種熱傳導(dǎo)機(jī)制中的任何一種或全部從熱源發(fā)出三維：傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射。

• 元件之間的熱耦合比電耦合更加突出且難以分離。

• 測(cè)量工具是不同的。對(duì)于熱分析，紅外熱像儀和熱電偶取代了示波器和電壓探頭。

當(dāng)溫度梯度存在于固體或固定流體介質(zhì)中時(shí)發(fā)生熱傳導(dǎo)。熱對(duì)流和輻射是比傳導(dǎo)更復(fù)雜的熱傳輸機(jī)制。熱對(duì)流發(fā)生在固體表面與不同溫度下的流體材料接觸時(shí)。熱輻射是來自所有物質(zhì)的電磁輻射的發(fā)射，溫度大于絕對(duì)零度。圖2顯示了三種熱傳輸工作圖。所有上述熱傳遞機(jī)制的一維應(yīng)用的描述性方程可以表示為表2所示。

圖2.三種熱傳輸機(jī)制圖

哪里：

Q是單位時(shí)間內(nèi)傳熱量（J / s）

k是熱導(dǎo)率（W /（Km））

A是物體的截面積（m2）

ΔT是溫差

Δx是材料的厚度

hc是對(duì)流換熱系數(shù)

hr是輻射傳熱系數(shù)

T1是一側(cè)的初始溫度

T2是另一側(cè)的溫度

?小號(hào)是固體表面的溫度（?C）

Tf是流體的平均溫度（oC）

Th是熱端溫度（K）

Tc是冷端溫度（K）

ε是物體的發(fā)射率（對(duì)于黑體）（0?1）

σ是Stefan-Boltzmann常數(shù)= 5.6703×10-8（W /（m2K4））

SigrityPowerDC是一種經(jīng)過驗(yàn)證的電氣和熱量技術(shù)，多年來一直用于設(shè)計(jì)，分析和簽署實(shí)際封裝和PCB。集成的電氣/熱量聯(lián)合仿真功能可幫助用戶輕松確認(rèn)設(shè)計(jì)是否符合規(guī)定的電壓和溫度閾值，而無(wú)需花費(fèi)大量精力來篩選難以判斷的影響。借助這項(xiàng)技術(shù)，您可以獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)余量并降低設(shè)計(jì)的制造成本。下圖顯示了PowerDC用于電氣/熱量聯(lián)合仿真的方法：

圖3. PowerDC電氣/熱協(xié)同仿真方案圖

除了E / T協(xié)同仿真外，PowerDC還提供其他與熱量有關(guān)的功能，例如：

• 熱模型提?。▓D4）

• 熱應(yīng)力分析（圖5）

• 多板分析（圖6）

• 芯片封裝板協(xié)同仿真（圖7）

借助這些技術(shù)和功能，您可以方便快捷地評(píng)估包裝或印刷電路板設(shè)計(jì)的圖形和數(shù)字熱流和熱輻射。

圖4.包熱模型提取

圖5.封裝熱應(yīng)力分析示例

圖6.多電路板熱分析

圖7.使用Voltus-PowerDC進(jìn)行芯片封裝熱協(xié)同仿真