【導(dǎo)讀】PCB性能的優(yōu)劣是在詳細(xì)設(shè)計(jì)期間確定的，元器件之間的溫度差也會(huì)影響時(shí)序問(wèn)題。PCB設(shè)計(jì)的熱問(wèn)題主要是在元器件選擇和布局階段“鎖定”。這之后，如果發(fā)現(xiàn)元器件運(yùn)行溫度過(guò)高，只能采取補(bǔ)救措施。這里倡導(dǎo)從系統(tǒng)或外殼層次開(kāi)始的由上至下設(shè)計(jì)方法，以便了解電子設(shè)備的熱環(huán)境，這對(duì)氣冷電子設(shè)備非常重要。早期設(shè)計(jì)中關(guān)于氣流均勻性的假設(shè)若在后期被證明無(wú)法實(shí)現(xiàn)，將對(duì)產(chǎn)品的商業(yè)可行性帶來(lái)災(zāi)難性影響，并最終失去市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
“盡早開(kāi)始并從簡(jiǎn)單的做起”，這是金科玉律。負(fù)責(zé)產(chǎn)品熱完整性的機(jī)械工程師應(yīng)當(dāng)向電子工程師提供盡可能多的有用反饋，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)，優(yōu)化其所做選擇的熱影響，尤其是在早期設(shè)計(jì)中。從機(jī)械工程師的角度看，在PCB層次，這意味著幫助選擇封裝和最佳元器件位置，以利用系統(tǒng)氣流進(jìn)行散熱。當(dāng)然，布局和封裝選擇主要取決于電子性能與成本考慮，但是，應(yīng)當(dāng)盡可能弄清這些選擇會(huì)給熱性能帶來(lái)怎樣的后果，因?yàn)闇囟群蜕嵬瑯訒?huì)影響性能與成本。
一.開(kāi)始預(yù)布置和預(yù)布局
在電子設(shè)計(jì)流程中，完成布局之前有大量工作可以做。事實(shí)上，在此之前，就需要將熱考慮對(duì)設(shè)計(jì)的影響計(jì)算在內(nèi)。利用外殼的簡(jiǎn)單表示就可以完成大量工作，提供有關(guān)電路板上氣流分布的信息。
首先可以簡(jiǎn)單地將電路板的總功率分配到電路板的整個(gè)表面。由此將獲得一幅溫度圖，它會(huì)指示出任何因?yàn)闅饬鞣植疾划?dāng)而引起的高溫區(qū)域，外殼級(jí)氣流應(yīng)當(dāng)在PCB設(shè)計(jì)之前進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)此，您可以將板視作一個(gè)具有 5Wm-1K-1 到 10Wm-1K-1 各向同性熱導(dǎo)率的模塊。這個(gè)階段獲得的結(jié)果對(duì)所選的值不太敏感。
需要注意的是：元器件會(huì)局部性地將熱量注入電路板中，因此元器件下方的電路板中的熱通量密度會(huì)高于電路板的平均值。于是，局部板溫會(huì)高于仿真預(yù)測(cè)值，因此不應(yīng)使用這一階段得出的板溫來(lái)估算元器件溫度。要估算元器件溫度，必須優(yōu)化模型。
如果任一點(diǎn)的板溫接近元器件外殼最高溫度，那么一旦用離散方式表示元器件熱源，就極有可能超過(guò)此限值。例如，若已知一個(gè)或多個(gè)元器件需要散熱器，這種情況就可能出現(xiàn)。
二.獲取元器件功率（猜測(cè)）
為此，對(duì)于設(shè)計(jì)中將會(huì)使用的主要散熱元器件，必須知道其功率預(yù)算的最佳猜測(cè)值，以及其封裝的大致尺寸，這一點(diǎn)非常重要。這樣您就可以在仿真中將其描述為封裝熱源，并把其余熱量均勻分配到電路板表面。
在研究和選擇元件（于項(xiàng)目原理圖捕捉階段開(kāi)始時(shí)進(jìn)行）之前，系統(tǒng)架構(gòu)師對(duì)元器件已經(jīng)有所了解，比如：需要哪些關(guān)鍵元器件、哪些元器件需要靠近放置、元器件尺寸會(huì)是多少等。例如，系統(tǒng)架構(gòu)師可能打算使用為另一個(gè)產(chǎn)品選擇的一些元器件，或者繼續(xù)使用上一代產(chǎn)品所用的元器件。
三.選擇封裝之前使用三維元器件模型
盡管比較困難，但在最終選定元器件之前，嘗試在仿真中包含某種形式的三維元器件模型是很重要的。通過(guò)在到達(dá)這一階段之前反饋熱結(jié)果，可以增加將熱性能作為封裝選擇標(biāo)準(zhǔn)的一部分加以考慮的機(jī)會(huì)。某些 IC 提供多種封裝樣式，但從熱角度看，并非所有封裝樣式的性能都一樣好。因此，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆庋b，后期可能不需要使用散熱器。
元器件溫度（殼溫或結(jié)溫，取決于制造商如何指定元器件規(guī)格），是表明設(shè)計(jì)在熱方面是否合格的關(guān)鍵指標(biāo)。然而，在此階段，我們只能獲得元器件溫度的粗略估算值。
在沒(méi)有任何其他信息的情況下，可以使用的最簡(jiǎn)單的三維元器件模型是導(dǎo)熱塊。FloTHERM 包括定制的材料屬性，用以得出不同封裝樣式的預(yù)計(jì)殼溫。
圖 1：FloTHERM 中的集總封裝資料
塑封元器件建議使用 5Wm-1K-1 至 10Wm-1K-1 的熱導(dǎo)率，陶瓷元器件建議使用 15Wm-1K-1。5Wm-1K-1 顯然對(duì)應(yīng)最壞情況下的殼溫?cái)?shù)值。
通過(guò)以三維方式表示封裝主體，便可考慮元器件對(duì)局部氣流以及任何下游元器件的影響。較大元器件會(huì)阻擋冷卻空氣流動(dòng)到較小、較低的元器件；元器件背后的尾流區(qū)是同樣的空氣不斷循環(huán)流動(dòng)的區(qū)域，因而該區(qū)域中的所有元器件可能都很熱。一個(gè)管用的提示是將所有矩形元器件對(duì)齊，使其長(zhǎng)邊與主要?dú)怏w流動(dòng)方向平行。這不僅會(huì)降低總體壓降（因?yàn)闅饬饔龅降淖璧K更少），而且會(huì)縮小尾流區(qū)，使其對(duì)下游元器件的影響減至最小。
四.反饋熱結(jié)果
在這一階段，您可以開(kāi)始將有關(guān) PCB 性能的信息反饋給 PCB 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。雖然這個(gè)階段的仿真相對(duì)粗糙，但主要仿真結(jié)果（即電路板上的氣流分布和相應(yīng)的板溫圖）是非常強(qiáng)大的工具，您可以利用它來(lái)顯示必須處理的可用冷卻空氣情況，以及對(duì)元器件溫度可能造成的影響。
值得強(qiáng)調(diào)的是，這些標(biāo)稱元器件殼溫值會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)樗鼈兪腔谝韵聴l件：
1.假定的布局
2.非常粗略的功率估算
3.封裝選擇的不確定性
4.PCB 中未知的疊層和銅層分布
5.散熱器初步尺寸和設(shè)計(jì)（若已經(jīng)知道是必需的）
但即便如此，它仍然是一個(gè)有用的起點(diǎn)，既有助于了解系統(tǒng)性能，又提供了一個(gè)可隨著設(shè)計(jì)的展開(kāi)不斷進(jìn)行優(yōu)化的模型。該模型為研究元器件布置對(duì)元器件及其相鄰元器件的溫度影響提供了一個(gè)非常有用的平臺(tái)，藉此可以輕松完成調(diào)整，模型的重新運(yùn)行通常也只需要幾分鐘，而不是數(shù)小時(shí)。
結(jié)果會(huì)在一定程度上反映哪些元器件（若有）可能需要某種形式的散熱器，接下來(lái)可以對(duì)此進(jìn)行研究。另外，一旦獲知關(guān)于封裝選擇的更多信息，有些元器件的模型可能需要進(jìn)一步優(yōu)化，因此這種練習(xí)有助于在開(kāi)發(fā)熱模型時(shí)安排應(yīng)在哪些方面優(yōu)先投入精力。
五.盡早確定散熱器尺寸
對(duì)于任何可能過(guò)熱的元器件，都應(yīng)當(dāng)研究能否通過(guò)使用散熱器來(lái)有效地降低元器件溫度。如果氣流方向主要與封裝的一側(cè)垂直，則板型（或擠壓）鰭片散熱器可能最合適。否則，應(yīng)當(dāng)考慮釘狀鰭片散熱器。
FloTHERM 和 FloTHERM XT 提供了散熱器 SmartPart，可利用它以參數(shù)方式定義散熱器幾何形狀。首先將散熱器的基座尺寸設(shè)為與封裝相同，然后研究不同的鰭片數(shù)量、鰭片高度和厚度的散熱效果。這樣做的目的是確定能否將散熱器簡(jiǎn)單地安裝在封裝頂部，或者是否需要更大的散熱器。對(duì)于后一種情況，將需要知道用于機(jī)械安裝的電路板基板面（參見(jiàn)圖 2），因?yàn)榇诵畔⑿枰M早反饋給 PCB 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。若如此，則必須選擇一個(gè)能提供充分散熱的現(xiàn)有散熱器，或者在電路板布線之前設(shè)計(jì)一個(gè)定制散熱器，因?yàn)樯?/div>
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器的機(jī)械安裝可能會(huì)影響元器件布置。
散熱器本質(zhì)上是面積擴(kuò)展裝置，通過(guò)提供更大的表面積供空氣流過(guò)，來(lái)增加與空氣的對(duì)流熱傳遞。散熱器一般由鋁合金制成，以便熱量能夠有效擴(kuò)散到整個(gè)基座并達(dá)到鰭片。基座本身充當(dāng)散熱器，因此有助于降低元器件溫度。首先使用較短且間距較寬的鰭片，以便最大限度減少對(duì)氣流的阻礙以及散熱器引起的尾流，進(jìn)而降低對(duì)下游元器件散熱的影響。
圖 2：延伸到封裝主體之外且?guī)в卸ㄎ讳N(xiāo)的散熱器
如果結(jié)果表明，元器件可以利用安裝于自身的相對(duì)較小的散熱器來(lái)散熱，這項(xiàng)活動(dòng)就可以到此為止，但后期還需要重新審視。
使用散熱器時(shí)，必須考慮封裝與散熱器之間的熱學(xué)界面材料 (TIM) 的熱阻。最終選擇取決于很多因素，但在設(shè)計(jì)早期中，使用厚度約 0.2mm、熱導(dǎo)率約 1.0 Wm-1K-1 的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱墊是比較保險(xiǎn)的選擇。
六.精確表示元器件
反饋信息給 PCB 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以幫助其選擇和布置元器件之后，還可以指導(dǎo)其使用相關(guān)度最高的熱指標(biāo)來(lái)比較候選元器件的熱性能。
對(duì)于沒(méi)有散熱器的元器件，用來(lái)比較的相關(guān)度最高的熱指標(biāo)是結(jié)-電路板熱阻。對(duì)于預(yù)期會(huì)安裝散熱器的元器件，相關(guān)度最高的指標(biāo)是結(jié)-殼熱阻，因?yàn)樵摕嶙柰ǔＪ轻槍?duì)與散熱器接觸的表面定義的。對(duì)于 TO 型封裝，該表面一般焊接到 PCB。若這兩個(gè)指標(biāo)均可用，則可以創(chuàng)建一個(gè)JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的雙熱阻模型（參見(jiàn)圖 3），并重新運(yùn)行熱模型以獲得第一個(gè)結(jié)溫估算值。
圖 3：用于設(shè)計(jì)的封裝熱信息的保真度層級(jí)
預(yù)測(cè)精度更高一級(jí)的模型是 DELPHI 模型。對(duì)于散熱器選擇，DELPHI 模型優(yōu)于雙熱阻模型的地方在于，前者的上表面細(xì)分為溫度不同的內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，因而可用來(lái)初步研究散熱器基座厚度的影響。然而，對(duì)于需要散熱器且熱特性極為關(guān)鍵的封裝，建議使用詳細(xì)模型。
此外，最好在互聯(lián)網(wǎng)上搜索元器件產(chǎn)品說(shuō)明，看看是否有任何可用的 FloTHERM 模型；若沒(méi)有，可向供應(yīng)商申請(qǐng) FloTHERM 模型。有時(shí)候，獲得這些模型需要遵守保密協(xié)議 (NDA)。FloTHERM 作為使用最廣泛的電子散熱 CFD 軟件，許多領(lǐng)先的 IC 封裝供應(yīng)商都為其提供熱模型。這也是 FloTHERM PACK 真正體現(xiàn)其價(jià)值的地方。大約 70% 的 FloTHERM PACK 用戶是系統(tǒng)集成商，他們只需要知道封裝樣式、主體尺寸和引線數(shù)量，就能利用 FloTHERM PACK 的 JEDEC 封裝向?qū)捎写硇缘姆庋b熱模型。FloTHERM PACK還為您提供了所有輸入數(shù)據(jù)的完全訪問(wèn)權(quán)，因此，只要獲得關(guān)于封裝的更多信息，您就能立即更新模型，并生成雙熱阻模型、DELPHI 模型 [6] 和詳細(xì)模型。因此，隨著設(shè)計(jì)的展開(kāi)，您可以輕松地優(yōu)化元器件熱模型。
七.不要忽略電路板細(xì)節(jié)
一旦獲得元器件封裝和熱源估算信息，并將元器件作為三維導(dǎo)熱塊建模，就可以開(kāi)始研究結(jié)果對(duì)電路板熱導(dǎo)率的敏感度。因此，這項(xiàng)活動(dòng)可以而且確實(shí)應(yīng)當(dāng)與元器件模型優(yōu)化同時(shí)進(jìn)行。
在實(shí)際應(yīng)用中，PCB 熱導(dǎo)率并不存在單一值。PCB 由銅和介電材料組成，并且銅的導(dǎo)熱性能高出大約1000倍，因此，電介質(zhì)在各層之間和各條走線之間形成了熱隔離。在對(duì)電路板進(jìn)行布線之前的早期設(shè)計(jì)中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的并在一定范圍內(nèi)（比如 5Wm-1K-1 到 15Wm-1K-1）變化的各向同性熱導(dǎo)率值，來(lái)了解 PCB 熱性能對(duì)仿真結(jié)果有多大影響。在詳細(xì)設(shè)計(jì)期間，需要對(duì)電路板的這一熱表示加以改進(jìn)。
一旦大致確定布置，PCB 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的下一步工作便是原理圖捕捉和電氣仿真（例如時(shí)序）。在原理圖捕捉之后、電路板布線之前可以獲得的最有用的信息是電路板疊層。
估算電路板可能會(huì)有多少信號(hào)層和電源／接地層很重要。PCB 表面上的走線會(huì)在局部將熱量從封裝互連（引線或焊球）擴(kuò)散出去，而埋入的電源和接地層則會(huì)在宏觀上提高層內(nèi)熱導(dǎo)率。
從熱角度看，這些含銅層對(duì) PCB 性能的貢獻(xiàn)受其厚度影響。最常見(jiàn)的厚度是 0.5 Oz 或 1.0 Oz 銅。“1 Oz” 表示將 1 盎司的銅平鋪到 1 平方英尺面積上所形成的厚度 [參考文獻(xiàn) 7]，相當(dāng)于 1.37 密耳（千分之一英寸）或0.0347mm。
一旦獲得 PCB 中各類型（信號(hào)或電源／接地）的層數(shù)估算值，便可升級(jí) PCB 模型以包括上述各個(gè)層。布線之前，需要估算各個(gè)非介電層的覆銅厚度和百分比。電源和接地層應(yīng)使用 1 Oz 厚度，走線層應(yīng)使用0.5 Oz 厚度，覆銅百分比分別假定為 80% 和 20%。電介質(zhì)對(duì)面積平均熱導(dǎo)率（包括層內(nèi)和層間）幾乎無(wú)影響，因此可以認(rèn)為這些層的熱導(dǎo)率分別為銅熱導(dǎo)率的 80% 和 20%。
介電層的最小厚度取決于任一面上為補(bǔ)償熱膨脹系數(shù)差異而需要的銅厚度，然后便可計(jì)算板的總厚度。
對(duì)于小型、高功率、管腳數(shù)較少的封裝，電路板上走線的長(zhǎng)度規(guī)模與封裝的數(shù)量級(jí)相似。因此，在 EDA系統(tǒng)提供該信息之前，必須采用與封裝相似的詳細(xì)程度對(duì)這些特征進(jìn)行建模。例如，在對(duì)封裝進(jìn)行詳細(xì)建模后，應(yīng)當(dāng)表示出焊接 TO 封裝的銅焊盤(pán)以及封裝的局部走線。對(duì)焊盤(pán)下方用來(lái)將熱量導(dǎo)向埋入接地層的所有熱過(guò)孔進(jìn)行建模時(shí)，也應(yīng)采取類似的做法。
八.從 EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)
FloTHERM 和 FloTHERM XT 具有全面的 EDA 接口功能，以便從所有主要 EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，包括：MentorPADS、Mentor Boardstation、Mentor Xpedition Enterprise、Cadence Allegro 和 Zuken CR5000。
從 EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入元器件布置數(shù)據(jù)可確保熱設(shè)計(jì)工具內(nèi)的布置正確；布局一旦有變化，即應(yīng)重新導(dǎo)入。利用 FloTHERM XT 的 FloEDA Bridge 模塊，一鍵即可重新導(dǎo)入 PCB 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更新，關(guān)于用戶如何篩選此數(shù)據(jù)的所有現(xiàn)有設(shè)置都會(huì)保留。
詳細(xì) PCB 建模涉及從 EDA 系統(tǒng)導(dǎo)入疊層、走線層布線、過(guò)孔分布以及電源和接地層上的銅皮形狀。
九.在設(shè)計(jì)流程中前移 PCB 熱設(shè)計(jì)
本著持續(xù)改進(jìn)的精神，應(yīng)當(dāng)努力在下一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程中將熱設(shè)計(jì)考慮前移。
在某種程度上，這將使機(jī)械角度的熱設(shè)計(jì)與電氣角度的熱設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。順利的話，這兩種方法可相輔相成，使得熱設(shè)計(jì)完成得更快、更為可靠，結(jié)果也會(huì)優(yōu)于分布進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的情形。關(guān)鍵是不同專業(yè)對(duì)各流程可以且應(yīng)當(dāng)完成哪些工作達(dá)成共識(shí)，這也正是本文的意圖。
十.與 EDA 流程協(xié)同設(shè)計(jì)
最終目標(biāo)是與 EDA 流程協(xié)同進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。近年來(lái)，PCB 走線的電流密度和電源平面層上不同區(qū)域之間的直通頸縮不斷增加，使得焦耳（或歐姆）加熱成為 PCB 設(shè)計(jì)中一個(gè)越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)電路板的電氣性能和熱性能都有影響。為了幫助電子設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Mentor Graphics 在布局和布線工具集之外推出了 HyperLynx Thermal 和 HyperLynx PI（用于電源完整性）等精密分析工具。
除了有源元器件耗散的熱量之外，焦耳加熱會(huì)在 PCB 本身中產(chǎn)生額外的熱源。FloTHERM 可以逐層導(dǎo)入詳細(xì)的熱源圖并疊加到 PCB 的詳細(xì)模型上，從而正確地計(jì)入這種熱源。
FloTHERM 等 CFD 軟件可以極為精確地表示 PCB 的對(duì)流散熱以及與周?chē)矬w的輻射熱交換。結(jié)束整個(gè)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)之前，建議將 PCB 中焦耳加熱所產(chǎn)生的熱源從 HyperLynx PI 導(dǎo)入 FloTHERM 或 FloTHERM XT。
圖 4：設(shè)計(jì)期間的 CFD 結(jié)果與利用紅外攝像機(jī)測(cè)量的實(shí)際 PCB 的對(duì)比
