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如今的PCB電子元件密度比以前提高許多，同時功率密度也相對增加，PCB設計人員已不能再忽略熱效應所產生的影響。由于電子零配件的性能會隨溫度產生變化，溫度越高其電氣性能會越低，因此在電路板設計過程中必須針對PCB進行熱性能分析，以保證設備在正常條件下能可靠地工作。

 

熱分析可協助設計人員確定PCB上部件的電氣性能(圖1)，幫助設計人員確定零配件或PCB是否會因為高溫而燒壞。簡單的熱分析只是計算PCB的平均溫度，復雜的則要對含多個PCB和上千個零配件的電子設備建立瞬態模型。

 

正確輸入是關鍵

無論分析人員在對電子設備、PCB以及電子元件建立熱模型時多么小心翼翼，熱分析的準確程度最終還要取決于PCB設計人員所提供的元件功耗的準確性，換句話說，如果輸入不正確，就無法得出有用的東西。在許多應用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的實際功耗很小，可能會導致設計的安全系數過高，進而使PCB的設計采用與實際不符或過于保守的元件功耗值作為根據進行熱分析，并且進行修改。

圖1：目前PCB上元件密度很高，為保證系統能正常工作需要進行熱量分析
 

與之相反(同時也更為嚴重)的問題是熱安全系數設計過低，也即元件實際運行時的溫度比分析人員預測的要高，此類問題一般要通過加裝散熱裝置或風扇對PCB進行冷卻來解決。這些外接附件增加了成本，而且延長了制造時間，在設計中加入風扇還會給可靠性帶來一層不穩定因素，因此PCB現在主要采用主動式而不是被動式冷卻方式(如自然對流、傳導及輻射散熱)，以使元件在較低的溫度范圍內工作。

 

熱設計不良最終將使得成本上升而且還會降低可靠性，這在所有PCB設計中都可能產生，諸如航空航天、汽車及消費電子產品等。花費一些功夫準確確定元件功耗，再進行PCB熱分析，這樣有助于生產出小巧且功能性強的產品。應使用準確的熱模型和元件功耗，以免降低PCB設計效率。

 

元件功耗計算

準確確定PCB元件的功耗是一個不斷重復迭代的過程，PCB設計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。設計人員先猜測一個元件工作環境溫度或從初步熱分析中得出估計值，并將元件功耗輸入到微小化的熱模型中，計算出PCB和相關元件“結點”(或熱點)的溫度(圖2)，第二步使用新溫度重新計算元件功耗，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，該過程一直進行下去直到其數值不再改變為止。

圖2：穩態條件下PCB溫度分析情況
 

然而PCB設計人員通常面臨需要快速完成任務的壓力，他們沒有足夠的時間進行耗時重復的零配件電氣及熱性能確定工作。一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環境溫度，使設計人員用于計算零配件的功耗，通過進一步重復計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格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環境溫度或元件內部溫度的影響，消費類電子產品常采用塑料封裝元件，其最高工作溫度是85℃；而軍用產品常使用陶瓷元件，最高工作溫度為125℃，額定最高溫度通常是105℃。PCB設計人員可利用元件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗。

 

穩態還是瞬態？

設計人員和熱分析人員需要一起探討應在何種工作狀態下進行分析才能使設計達到滿意。用額定功率進行穩態分析可行嗎？或者還是要用最大功耗？這些部件是同時運行呢還是運行的切換時間之間有較長延遲？如果是后者，則需要進行瞬態分析。通常情況下可用最大功耗對所有元件進行穩態分析，如果此時所有元件都低于可接受的最高溫度，就無需再作進一步研究。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。

 

計算元件溫度最準確的方法是作瞬態熱分析，它能將元件功耗隨時間的波動情況考慮進來。但是確定元件的瞬時功耗十分困難，在有限的設計時間內要想對PCB上所有元件進行此項工作是根本無法完成的(圖3)，瞬態分析還需要將很多相關數據如品質及熱容量等數據輸入到熱模型中。一個比較好的折衷方法是在穩態條件下分別進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，可以應用的典型熱邊界條件包括：

?前后表面發出的自然或強制對流；

?前后表面發出的熱輻射；

?從PCB邊緣到設備外殼的傳導；

?通過剛性或撓性連接器到其它PCB的傳導；

?從PCB到支架(螺栓或黏合固定)的傳導；

?兩個PCB夾層之間散熱器的傳導。

 

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。在太空中的人造衛星上，輻射是唯一傳熱方式，而在汽車或消費電子應用中如果元件溫度不是接近于運行極限，通常對此不作考慮。

 

自然對流是指由于氣體溫度差異導致浮力而產生的氣流，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時將被加熱，于是就產生了氣流。

 

更有效的冷卻方法是強制對流，通常用一個或一組風扇來實現。對流傳熱與傳熱系數及表面與空氣的溫差成正比，自然對流的傳熱系數通常在2～25W/m2K之間，強迫對流通常在25～250W/m2K之間。有許多經驗公式可用于確定對流傳熱系數，一般PCB采用平面型應用公式。

 

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PCB的工具都有，這當中還有多種類型，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。價格和具體應用是確定模擬工具的兩個基本標準。

 

基本熱模型及分析工具包括分析任意結構的通用工具、用于系統流程/傳熱分析的計算流體動力學(CFD)工具，以及用于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具。

圖3：PCB頂部四個位置的瞬態溫度相應曲線
 

通用工具－這種工具一般采用有限元法，可對任何結構進行建模，但是需要很長的建模和分析時間。該工具適合于含多個不同功耗結構的大型對象，如有多個PCB的電子設備。通常它與PCB專用熱分析工具共同使用，利用通用工具對系統的粗略模型進行分析，為PCB和元件的詳細分析提供邊界條件。

 

CFD工具－這類工具利用有限容積法，在平板流量假設效果不好時用來分析液體流動。和上面一樣，該工具也經常與PCB專用工具共同使用，提供有關傳熱系數和PCB表面局部空氣溫度的邊界條件。這種模型一般較大，建立和運行都要耗費較長的時間。

 

PCB工具－這種工具一般每次分析一塊PCB，可用于母板/子板設置的建模。它能提供PCB及相關元件的詳細模型，用戶可很容易地作業模型以檢查不同的設計方案，該工具利用平板流量假設得出對流邊界條件。由于PCB ECAD數據庫數據能很容易地轉化到工具中，所以它無須再從頭開始建立PCB模型。該工具的優點包括能大幅降低建模和分析時間、可得到更加詳細的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，如簡化的氣體流量假設可能并不適用于所有情況，同時它不能處理系統級分析。

 

每種工具在PCB熱分析中都有其用途，在應用中可能會發現有時需要用到不止一個工具。如果熱分析需求更接近于系統分析，則可考慮使用通用工具或CFD系統級工具；如果主要都是一次只分析一兩塊PCB，或是想進行詳細的PCB分析，則可考慮PCB專用工具。