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带你了解怎样改善PCB散热设计的基础知识

时间:2017/4/7 11:31:25

大陆 汽车 Continental Automobile在制造从底盘和平安系统到动力总成、内部控制系统和轮胎的关键零件和系统范畴有多年经历。过去十年间的变化十分大,电子技术成为了全 球OEM供货商和其他制造商的一个十分重要的方面。电子系统比以前任何时分都更普遍得被运用,以提供更平安的汽车、更清洁的动力、更强的灵敏性和更智能的 驾驶体验。


所 以为了从零件级开端就确保汽车电子牢靠、平安并且设计得当,发热是必需在设计早期就要处理的问题。除了IC封装之外,最重要的热阻就是PCB了。 Continental工程团队运用了3D计算流体动力学(CFD)来模仿和测试PCB的散热设计(图1)。缜密得对主要热活动途径建模能确保零件产生的 热量经过对流、传导和辐射等方式分发到环境当中,这一点至关重要。理解热接点热阻能用于优化设计,使其愈加有效,并且能降低散热器、资料和IC的本钱。


当 就模仿过程建模时,能够运用不同的办法来代表芯片封装和PCB。关于芯片封装通常有四品种型的模型(图1)。简单的长方形代表具有一些资料特性及有加在其 上热源的集总原件。2型电阻简化热模型不含任何热容,所以不合适用于零件温度瞬态剖析。Delphi模型则是由数个热阻和热容组成,所以愈加精确并愈加适 合瞬态仿真。最后的细致模型是对零件停止明白建模,是最精确的模型,但是这也增加了仿真时间和对计算资源的请求。


图1:芯片封装的仿真建模,从最简单的到最复杂的


简单集总模型

适用于模仿IC四周的空气与PCB温度

有时关于预测箱体温度会比拟有协助

很难附加传导率


2型电阻模型

适用于Tj和Tc模仿预测


DELPHI模型

适用于Tj和Tc模仿预测

能够添加电容


细致模型

十分精确得模仿几何外形与资料

合适瞬态剖析

是一切模型中最准确的


PCB同样运用了由简单到复杂的4种模型停止仿真:集总近似、单独层表示、“小块”层建模、细致铜途径和区域建模。


运用集总近似(图2)时,PCB运用有各向异性热传导率(每个方向各不相同)的单独块来停止表示,其在X、Y轴(在平面上)和Z轴(垂直于平面)上被施加热量。这个办法建模和求解都很快。但是,假如有高功率损耗的外表贴装设备,那么热扩散效应会被疏忽。


运用单独层表示(图3)时,将每一层作为有不同热传导率的单独物体停止建模。这种办法能更好捕捉外表贴装设备平面内的热扩散状况,并且同样只需求很少的运算资源。其能够为一些没有散热措施(铜区域,导热过孔)的IC提供不错的仿真结果。


关于“小块”层建模来说,PCB的每一层都能停止建模。每一层都被细分红“小块”的阵列。关于每一个小块,经过铜和FR-4的散布计算出其各向异性热传导率。这种办法能提供愈加精确的结果,但建模和求解的时间更长,需求的计算资源也更多。


(左边)图2:集总近似仿真

(右边)图3:单独层表示仿真


(左边)图4:“小块”层建模

(右边)图5:细致3D铜途径和区域建模


最后的细致3D铜途径和区域建模需求运用3D热模仿软件停止仿真,其能得到的细节是最多的(图5)。“宽”的铜途径和区域被作为输入数据的一局部单独停止表示。这种办法得出的结果是最精确的,由于其单独对每一层都停止了3D表示。


细致的3D模型能提供几何外形和资料的明白表示,是最精确的。当主要散热途径是经过PCB时,应该运用细致PCB建模,而当电路板不是主要散热途径时能够运用更简单的PCB建模办法。一切这些模型都能用于PCB瞬态仿真。


仿真建模的一切方面都应该是相同的细节等级。假如从热接点到环境的丈量结果变化在10%以内,则以为该建模是胜利的。


图6:IC发热仿真,两个设计中仅顶层有区别


仿真模型所给出的细节能如何协助改良设计呢?我们来看看同一个IC的两个不同的PCB设计,只要顶层和导热过孔数量和位置有区别(图6)。


要 建模的6层PCB接近1.6mm厚度,外层厚度67µm,内层厚度95µm(图7)。IC是SOT223外表贴装4脚封装,依照其标称值停止建模。15个 散热过孔孔径300µm,镀铜厚度25µm,依照方形截面建模。在热接点内有1W的功率损耗,环境和散热块的温度都是25°C。


在 图6和图7中,“不好”(左边的顶层图)和“好”(右边的顶层图)的设计能够经过剖析细致模型停止辨别。在第一个不好的规划例子中,基座有15个散热通 孔。剖析结果标明,热接点最高温度是64.6°C,传导到PCB顶层的热量是0.69W,剩下的0.31W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对 流分发(图8a)。只要0.40W经过了15个散热过孔传导到了热界面资料(TIM)。其对散热过孔的应用十分低效。


第 二个不好的设计规划例子运用了9个导热过孔,而不是15个。剖析结果标明,热接点的最高温度达65.1°C,进步了0.5°C。0.69W传导到了PCB 顶层,剩下的0.31W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发(图9a)。只要0.39W经过了9个散热过孔传导到了热界面资料 (TIM)。移除6个散热过孔并没有什么影响( T = 0.5°C)。


第 一个好的设计规划例子同样有15个散热过孔。剖析结果标明,热接点最高温度是45°C,0.87W经过4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引 脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发(图10a)。0.60W经过了15个散热过孔传导到了热界面资料(TIM)(图10b),其对散热过孔的 应用比拟有效。


图7:FloTHERM 3D热模仿和剖析软件中的封装建模


(左边)图8:15个散热过孔的不好的规划及散热过孔运用率

(右边)图9:9个散热过孔的不好的规划及散热过孔运用率


(左边)图10:15个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率

(右边)图11:10个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率


图12:5个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率


图13:改良过的10个散热过孔的规划及散热过孔运用率


第 二个好的设计规划例子有10个散热过孔基座。剖析结果标明,热接点最高温度是45.5°C (+0.5°C),0.87W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发(图11a)。 0.57W经过了10个散热过孔传导到了热界面资料(TIM)(图11b),跟前一个好的设计效果接近,但运用了更少的散热过孔。


我 们再将散热过孔的数量减少到5个,剖析结果标明,热接点最高温度是46.6°C (+1.6°C),0.87W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发(图12a)。 0.48W经过了5个散热过孔传导到了热界面资料(TIM)(图12b),我们能够得出结论,运用更少的过孔没有好处。


有 了这个结论以后,我们能够进一步改良10个导热过孔的好的设计规划。剖析结果标明,热接点最高温度是42.9°C (-2.1°C),0.90W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.10W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发(图13a)。 0.71W经过了10个散热过孔传导到了热界面资料(TIM)(图13b)。


以 上这些例子阐明了在热学模仿中运用3D建模来取得最佳设计的重要性。PCB顶层关于IC散热最为有效;因而,必需避免热源到散热过孔之间的热传导瓶颈。散 热过孔必需放置在间隔热源最近的中央,如本例中的第4脚。总体来说,热学仿真标明了导热过孔的数量并没有良好的规划那么重要。




Gabriel Ciobanu是Continental Automotive罗马尼亚的热设计工程师。

Boris Marovic是Mentor Graphics 机械剖析部门FloEFD产品技术经理。



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SMT-China外表组装技术》是 针对中国电子制造业出版的技术类杂志,用简体中文出版。为满足中国电子制造业对技术信息的需求,本刊报道外表贴装电路板在设计、组装和测试时所需资料、元 件、设备和办法的最新动态、技术开展及产业趋向剖析,协助读者处理他们遇到的问题。本刊的读者是电子制造产业界的技术管理人员、技术经理、工艺工程师、科 学研讨人员、从事开发和制造的专业人士。
   
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