电路板热设计仿真有多重要？怎么做？

热设计的主要性

电源产品电子设备在事情期间所花费的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。

电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会连续升温，器件就会因过热失落效，电子设备的可靠性将低落。

SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分主要。

二

印制电路板温升成分剖析

引起印制板温升的直接缘故原由是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变革。

印制板中温升的2种征象：

局部温升或大面积温升；

短时温升或永劫光温升。

在剖析PCB热功耗时，一样平常从以下几个方面来剖析。

1，电气功耗

（1）剖析单位面积上的功耗；（2）剖析PCB板上功耗的分布。

2，印制板的构造

（1）印制板的尺寸；（2）印制板的材料。

3，印制板的安装办法

（1）安装办法（如垂直安装，水平安装）；（2）密封情形和离机壳的间隔。

4，热辐射

（1）印制板表面的辐射系数；（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的温度；

5，热传导

（1）安装散热器；（2）其他安装构造件的传导。

6，热对流

（1）自然对流；（2）强制冷却对流。

从PCB上述各成分的剖析是办理印制板的温升的有效路子，每每在一个产品和系统中这些成分是相互干联和依赖的。

大多数成分应根据实际情形来剖析，只有针对某一详细实际情形才能比较精确地皮算或估算出温升和功耗等参数。

三

热设计原则

1，选材

（1）印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125 ℃（常用的范例值。
根据选用的板材可能不同）。

由于元件安装在印制板上也发出一部分热量，影响事情温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些成分，热点温度应不超过125 ℃，尽可能选择更厚一点的覆铜箔。

（2）分外情形下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。

（3）采取多层板构造有助于PCB热设计。

2，担保散热通道畅通

（1）充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技能建立合理有效的低热阻通道，担保热量顺利导出PCB；

（2）散热通孔的设置 ：设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。

如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。
在电路生产过程中焊锡将其添补，使导热能力提高，电路事情时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜泊散发掉。

在一些特定情形下，专门设计和采取了有散热层的电路板，散热材料一样平常为铜/钼等材料，如一些模块电源上采取的印制板；

（3）导热材料的利用 ：为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的打仗面上利用导热材料，提高热传导效率；

（4）工艺方法 ：对一些双面装有器件的区域随意马虎引起局部高温，为了改进散热条件，可以在焊膏中掺入少量的眇小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。

使器件与印制板间的间隙增加，增加了对飘泊热。

3，元器件的排布哀求

（1）对PCB进行软件热剖析，对内部温升进行设计掌握；

（2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上；

（3）板面热容量均匀分布，把稳不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并担保足够的冷却风量流经热耗集中区；

（4）使传热通路尽可能的短；

（5）使传热横截面尽可能的大；

（6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。
对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应阔别热源或将其隔离；

（7）（液态介质）电容器的阔别热源；

（8）把稳使强制透风与自然透风方向同等；

（9）附加子板、器件风道与透风方向同等；

（10）尽可能地使进气与排气有足够的间隔；

（11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件许可时应处于气流利道上；

（12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，并阔别其他器件，并担保散热通道通畅；

（13）（小旗子暗记放大器外围器件）只管即便采取温漂小的器件；

（14）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。

4，布线时的哀求

（1）板材选择（合理设计印制板构造）；

（2）布线规则；

（3）根据器件电流密度方案通道宽度；特殊把稳接合点处通道布线；

（4）大电流线条只管即便表面化；在不能知足哀求的条件下，可考虑采取汇流排；

（5）要只管即便降落打仗面的热阻。
为此应加大热传导面积；打仗平面应平整、光滑，必要时可涂 覆导热硅脂；

（6）热应力点考虑应力平衡方法并加粗线条；

（7）散热铜皮需采撤消热应力的开窗法，利用散热阻焊适当开窗；

（8）视可能采取表面大面积铜箔；

（9）对印制板上的接地安装孔采取较大焊盘，以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热；

（10）尽可能多安顿金属化过孔，且孔径、盘面只管即便大，依赖过孔帮助散热；

（11）器件散热补充手段；

（12）采取表面大面积铜箔可担保的情形下，出于经济性考虑可不采取附加散热器的方法；

（13）根据器件功耗、环境温度及许可结温来打算得当的表面散热铜箔面积（担保原则tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

四

热仿真（热剖析）

热剖析可帮忙设计职员确定PCB上部件的电气性能，帮助设计职员确定元器件或PCB是否会由于高温而烧坏。

大略的热剖析只是打算PCB的均匀温度，繁芜的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。

无论剖析职员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼，热剖析的准确程度终还要取决于PCB设计职员所供应的元件功耗的准确性。

在许多运用中重量和物理尺寸非常主要，如果元件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高，从而使PCB的设计采取与实际不符或过于守旧的元件功耗值作为根据进行热剖析。

与之相反（同时也更为严重）的是热安全系数设计过低，也即元件实际运行时的温度比剖析职员预测的要高，此类问题一样平常要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来办理。

这些外接附件增加了本钱，而且延长了制造韶光，在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定成分，因此PCB现在紧张采取主动式而不是被动式冷却办法（如自然对流、传导及辐射散热），以使元件在较低的温度范围内事情。

热设计不良终将使得本钱上升而且还会降落可靠性，这在所有PCB设计中都可能发生，花费一些功夫准确确定元件功耗，再进行PCB热剖析，这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。

应利用准确的热模型和元件功耗，以免降落PCB设计效率。

1，元件功耗打算

准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程，PCB设计职员须要知道元件温度以确定出损耗功率，热剖析职员则须要知道功率损耗以便输入到热模型中。

设计职员先预测一个元件事情环境温度或从初步热剖析中得出估计值，并将元件功耗输入到细化的热模型中，打算出PCB和干系元件“结点”（或热点）的温度，第二步利用新温度重新打算元件功耗，算出的功耗再作为下一步热剖析过程的输入。

在空想的情形下，该过程一贯进行下去直到其数值不再改变为止。
然而PCB设计职员常日面临须要快速完成任务的压力，他们没有足够的韶光进行耗时重复的元器件电气及热性能确定事情。

一个简化的方法是估算PCB的总功耗，将其作为一个浸染于全体PCB表面的均匀热流利量。
热剖析可预测出均匀环境温度，使设计职员用于打算元器件的功耗，通过进一步重复打算元件温度知道是否还须要作其他事情。

一样平常电子元器件制造商都供应有元器件规格，包括正常事情的温度。

元件性能常日会受环境温度或元件内部温度的影响，消费类电子产品常采取塑封元件，其事情温度是85 ℃；而军用产品常利用陶瓷件，事情温度为125 ℃，额定温度常日是105 ℃。
PCB设计职员可利用器件制造商供应的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。

打算元件温度准确的方法是作瞬态热剖析，但是确定元件的瞬时功耗十分困难。

一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和差状况剖析。

PCB受到各种类型热量的影响，可以运用的范例热边界条件包括：前后表面发出的自然或逼迫对流，前后表面发出的热辐射，从PCB边缘到设备外壳的传导，通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导，从PCB到支架（螺栓或粘合固定）的传导，2个PCB夹层之间散热器的传导。

目前有很多种形式的热仿照工具，基本热模型及剖析工具包括剖析任意构造的通用工具、用于系统流程/传热剖析的打算流体动力学（CFD）工具，以及用于详细PCB和元件建模的PCB运用工具。

2，基本过程

在不影响并有助于提高系统电性能指标的条件下，依据供应的成熟履历，加速PCB热设计。

在系统及热剖析预估及器件级热设计的根本上，通过板级热仿真预估热设计结果，探求设计毛病，并供应系统级办理方案或变更器件级办理方案。

通过热性能丈量对热设计的效果进行考验，对方案的适用性和有效性进行评价。

通过预估-设计-丈量-反馈循环不断的实践流程，改动并积累热仿真模型，加快热仿真速率，提高热仿真精度，补充PCB热设计履历。

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