热模拟驱动产品设计降低高密度PCB板温度的方法论

在本研究中，该产品包含，一个塑料外壳，PCB及能够在高电流下事情的电子元件。
该PCB产品拥有多个输入和输出，支持各种负载。

高密度电流流过PCB中的多层铜箔上。
这些铜层(由于尺寸的限定) ，在高密度电流情形下，势必导致较高的焦耳热。
其余，在PCB基板上有多个电子部件事情。
结果，这些部件处于较高的事情温度下。
本研究利用热风险管理工具(Thermal Risk Management tool，TRM)进行电热仿照，热丈量分别通过热成像和热电偶，来对热场和元件的温度进行丈量。
热仿照与丈量的结果进行比拟，偏差在3%范围内。
在验证了热仿真模型的根本上，通过仿真进行了参数化研究，优化了铜线的几何形状和元件位置，优化了元件、PCB的功耗、PCB布线的布局堆叠和PCB基材。
这种优化有助于减少PCB板上的热点和温度。
在早期产品的开拓阶段，可以大大降落开拓本钱和产品本钱。
PCB板上铜箔流入电流，进而产生热量，其公式为：

个中Q表示焦耳热耗，单位为W；I 为流入电路板的电流，单位为A；R为铜箔的电阻，单位为欧姆。
电阻R与铜箔的几何及电阻系数有关，其对应公式为：

这里p表示铜箔的电阻率，单位为w.m；L为铜箔的长度，单位为m；A为电流利过铜箔的横截面积，单位为

随着电流的增大，焦耳热可能变成了一个巨大的寻衅。
如果内部产生的热量相对较高，加上比较恶劣的高温外部环境，热寻衅就会被放大许多倍。

一、产品对某一个汽车电子单元产品进行剖析，它支持车辆上的多种运用。
为了知足所有这些需求，PCB板上须要通入较高的电流。
铜层，由于尺寸的限定，在流入高密度电流后，导致更高的焦耳热。
除此之外，电路板上的器件也会有大量的热天生。
相应的结果便是，全体PCB板上的器件处于高温的状态下。

二、电—热耦合仿照PCB板的电-热仿照有助于1、可视化全体板子的热场；2、识别电流流动的瓶颈；3、识别电路板上的热点，以便对PCB板铜箔布局进行优化，降落铜箔产生的焦耳热。
在本研究中，通过热风险管理方法（Thermal Risk Management tool，TRM）电-热仿照来进行，该工具用于打算电子器件和PCB的温度。

三、仿真模型该模型由元件及其各自的功耗、PCB板内部的热过孔及热耗、PCB板基材（FR4)、不同的铜层、铜层之间电流流动的导电体、输入输出引脚等等。
外壳构造的影响紧张表示在边界条件对应的换热系数上。
总的换传系数是考虑全体产品的传导、对流和辐射，进行系统级的共轭传热模型导出的，电流(I)被分配给输入和输出的引脚。
将环境温度作为边界条件运用于PCB及元件。

四、仿照的有效性为了通过肃清热瓶颈来评估产品的热风险，提高产品的利用寿命，对元件、PCB和塑料外壳的温度与极限进行了比较。
由于电子产品的温度每升高10C，其寿命将减少一半，所有的电子产品将必须保持在合理的事情温度下。

寿命和事情温度的关系是：

t表示事情韶光，单位为h；c为常数；T表示器件的事情温度，单位为K。

为了验证仿照结果，在实验室中通过红外热成像和热电偶丈量，对板级和组件级进行了丈量。
分别用于热场和元件温度。
仿照和丈量结果表明PCB板的温升偏差在3%以内。

表1显示了被丈量的几个事情部件的温度以及它们在仿照中的预测温度。

五、初始模型

一旦通过实验室丈量验证了仿真模型，那么可以对完全模型进行全负荷加载，个中PCB板的电流和元件的功耗都是最大的。
铜层的厚度信息如下表所示（每层厚度35微米）：

测试电路板的顶面，电路板的最大温升为88.8 C，电路板整体的焦耳热为13.03 W。

原始PCB板顶部的温度分布云图

原始PCB板底部的温度分布云图

六、优化方案1

由于焦耳热相称高(即13W)，这势必导致PCB和元件的温度也比较高，因此须要对铜箔进行了修正，以减少它。
作为减少焦耳热的第一步，可以通过增加铜层的厚度来增加电流流过的截面面积。
铜层厚度如下：

通过打算，可以得到电路板上的最大温升为59.8C，焦耳热由13.03 W降至6.81W。
随着铜层厚度增加为原来的两倍，电流流经的断面面积增加了一倍，这使得焦耳加热减少了一半。

方案1—PCB板顶部的温度分布云图

七、优化方案2

随着铜层厚度的增加，截面面积增大，这是降落PCB的焦耳热和最高温度的有效路子。
在连续优化设计的方案中，选用最大的铜层厚度。
修正铜箔层厚度信息，如下表所示：

方案2—PCB板顶部的温度分布云图

在此方案中，PCB板的最高温升为53.3C。
增大电流流经的截面积，可以进一步减少焦耳热，从而降落PCB的温度。
顶层铜箔的最大电流密度从140A/mm2降至120A/mm2，内部4层的最大电流密度由73A/mm2降落至62A/mm2。

八、结论

降落元器件和PCB的温度是提高电子产品寿命的主要设计目标。
对付高电流密度的PCB板而言，要保持其坚持安全的温度，焦耳热必须最小。
通过优化布线的几何尺寸，进行了方案的修正（PCB板布线布局的修正），进一步降落了PCB板及器件的最高温度，如方案2所示，内部层用来承载电流，使得PCB板的最高温升由原始的88℃降落到53℃，这大大提高了电子器件的寿命。

通过本案例的热仿照打算，可以帮助工程师在产品设计的初期阶段，快速找出热点区域，并采纳相应的方法肃清热点区域。

作者：王永康，仿真秀专栏作者

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