如今的PCB電子元件密度比以前提高許多，同時(shí)功率密度也相對(duì)增加，
PCB設(shè)計(jì)人員已不能再忽略熱效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。由于電子零配件的性能會(huì)隨溫度產(chǎn)生變化，溫度越高其電氣性能會(huì)越低，因此在電路板設(shè)計(jì)過程中必須針對(duì)PCB進(jìn)行熱性能分析，以保證設(shè)備在正常條件下能可靠地工作。
熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能(圖1)，幫助設(shè)計(jì)人員確定零配件或PCB是否會(huì)因?yàn)楦邷囟鵁龎?。簡單的熱分析只是?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)零配件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。
正確輸入是關(guān)鍵
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)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性，換句話說，如果輸入不正確，就無法得出有用的東西。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，進(jìn)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，并且進(jìn)行修改。
圖1：目前PCB上元件密度很高，為保證系統(tǒng)能正常工作需要進(jìn)行熱量分析
與之相反(同時(shí)也更為嚴(yán)重)的問題是熱安全系數(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)不良最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)中都可能產(chǎn)生，諸如航空航天、汽車及消費(fèi)電子產(chǎn)品等?；ㄙM(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。
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微小化的熱模型中，計(jì)算出PCB和相關(guān)元件“結(jié)點(diǎn)”(或熱點(diǎn))的溫度(圖2)，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)橹埂?/div>
圖2：穩(wěn)態(tài)條件下PCB溫度分析情況
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)的零配件電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡化的方法是估算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)測出平均環(huán)境溫度，使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算零配件的功耗，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它工作。
一般電子零配件制造商都提供有零配件規(guī)格，包括正常工作的最高溫度。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)品常采用塑料封裝元件，其最高工作溫度是85℃；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷元件，最高工作溫度為125℃，額定最高溫度通常是105℃。PCB設(shè)計(jì)人員可利用元件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。
穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)？
設(shè)計(jì)人員和熱分析人員需要一起探討應(yīng)在何種工作狀態(tài)下進(jìn)行分析才能使設(shè)計(jì)達(dá)到滿意。用額定功率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析可行嗎？或者還是要用最大功耗？這些部件是同時(shí)運(yùn)行呢還是運(yùn)行的切換時(shí)間之間有較長延遲？如果是后者，則需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。通常情況下可用最大功耗對(duì)所有元件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，如果此時(shí)所有元件都低于可接受的最高溫度，就無需再作進(jìn)一步研究。然而很多元件都可能超過允許的溫度范圍，所以這種方法一般都通不過。
計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，它能將元件功耗隨時(shí)間的波動(dòng)情況考慮進(jìn)來。但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難，在有限的設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)要想對(duì)PCB上所有元件進(jìn)行此項(xiàng)工作是根本無法完成的(圖3)，瞬態(tài)分析還需要將很多相關(guān)數(shù)據(jù)如品質(zhì)及熱容量等數(shù)據(jù)輸入到熱模型中。一個(gè)比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。
熱邊界條件
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它PCB的傳導(dǎo)；
?從PCB到支架(螺栓或黏合固定)的傳導(dǎo)；
?兩個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)。
兩表面間的輻射傳熱與溫度的四次方成正比，除非兩表面間溫差很大，否則其影響非常小。在太空中的人造衛(wèi)星上，輻射是唯一傳熱方式，而在汽車或消費(fèi)電子應(yīng)用中如果元件溫度不是接近于運(yùn)行極限，通常對(duì)此不作考慮。
自然對(duì)流是指由于氣體溫度差異導(dǎo)致浮力而產(chǎn)生的氣流，例如冷卻架上垂直排列的一組PCB，這?氣流可以穿越于PCB之間，底部的冷空氣藉由工作中的PCB時(shí)將被加熱，于是就產(chǎn)生了氣流。
更有效的冷卻方法是強(qiáng)制對(duì)流，通常用一個(gè)或一組風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)。對(duì)流傳熱與傳熱系數(shù)及表面與空氣的溫差成正比，自然對(duì)流的傳熱系數(shù)通常在2～25W/m2K之間，強(qiáng)迫對(duì)流通常在25～250W/m2K之間。有許多經(jīng)驗(yàn)公式可用于確定對(duì)流傳熱系數(shù)，一般PCB采用平面型應(yīng)用公式。
熱模擬工具
目前有很多種形式的熱模擬工具，從文本界面通用工具到圖形用戶界面專門針對(duì)PCB的工具都有，這當(dāng)中還有多種類型，另外也可在有限差分、有限容積或有限元中選擇一種分析方法。價(jià)格和具體應(yīng)用是確定模擬工具的兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。
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。
圖3：PCB頂部四個(gè)位置的瞬態(tài)溫度相應(yīng)曲線
通用工具－這種工具一般采用有限元法，可對(duì)任何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，但是需要很長的建模和分析時(shí)間。該工具適合于含多個(gè)不同功耗結(jié)構(gòu)的大型對(duì)象，如有多個(gè)PCB的電子設(shè)備。通常它與PCB專用熱分析工具共同使用，利用通用工具對(duì)系統(tǒng)的粗略模型進(jìn)行分析，為PCB和元件的詳細(xì)分析提供邊界條件。
CFD工具－這類工具利用有限容積法，在平板流量假設(shè)效果不好時(shí)用來分析液體流動(dòng)。和上面一樣，該工具也經(jīng)常與PCB專用工具共同使用，提供有關(guān)傳熱系數(shù)和PCB表面局部空氣溫度的邊界條件。這種模型一般較大，建立和運(yùn)行都要耗費(fèi)較長的時(shí)間。
PCB工具－這種工具一般每次分析一塊PCB，可用于母板/子板設(shè)置的建模。它能提供PCB及相關(guān)元件的詳細(xì)模型，用戶可很容易地作業(yè)模型以檢查不同的設(shè)計(jì)方案，該工具利用平板流量假設(shè)得出對(duì)流邊界條件。由于PCB ECAD數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)能很容易地轉(zhuǎn)化到工具中，所以它無須再從頭開始建立PCB模型。該工具的優(yōu)點(diǎn)包括能大幅降低建模和分析時(shí)間、可得到更加詳細(xì)的PCB和元件模型，以及簡便的“what-if式”分析方式。不過它也有一些缺點(diǎn)，如簡化的氣體流量假設(shè)可能并不適用于所有情況，同時(shí)它不能處理系統(tǒng)級(jí)分析。
每種工具在PCB熱分析中都有其用途，在應(yīng)用中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有時(shí)需要用到不止一個(gè)工具。如果熱分析需求更接近于系統(tǒng)分析，則可考慮使用通用工具或CFD系統(tǒng)級(jí)工具；如果主要都是一次只分析一兩塊PCB，或是想進(jìn)行詳細(xì)的PCB分析，則可考慮PCB專用工具。
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