高層摘要

印刷電路板?(PCB)?性能的很多方面是在深化設(shè)計(jì)期間確定的，例如：出于時(shí)序原因而讓一條走線具有特定長度。元器件之間的溫度差也會影響時(shí)序問題。PCB 設(shè)計(jì)的熱問題主要是在元器件（即芯片封裝）選擇和布局階段?“鎖定”。在這之后，如果發(fā)現(xiàn)元器件運(yùn)行溫度過高，只能采取補(bǔ)救措施。我們倡導(dǎo)從系統(tǒng)或外殼層次開始的由上至下設(shè)計(jì)方法1，以便了解電子設(shè)備的熱環(huán)境，這對氣冷電子設(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)若在后期被證明無法實(shí)現(xiàn)，將對產(chǎn)品的商業(yè)可行性帶來災(zāi)難性影響，并最終失去市場機(jī)會。?

-特許工程師約翰?·?帕里?(John?Parry)博士和拜倫?·?布萊克莫爾?(Byron?Blackmore)

優(yōu)化熱布局

“盡早開始并從簡單的做起”，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反饋意見以指導(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，這意味著幫助選擇封裝和理想元器件位置，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給熱性能帶來怎樣的后果，因?yàn)闇囟群蜕嵬瑯訒绊懶阅芘c成本。

1:開始預(yù)布置/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，就需要將熱考慮對設(shè)計(jì)的任何影響計(jì)算在內(nèi)。利用機(jī)殼的簡單表示就可以完成大量工作1，提供有關(guān)電路板上氣流分布的信息。

首先，簡單地將電路板的總功率分配到電路板的整個(gè)表面。據(jù)此生成的溫度圖會指示出任何因?yàn)闅饬鞣植疾划?dāng)而引起的高溫區(qū)域，機(jī)殼層氣流應(yīng)當(dāng)在PCB設(shè)計(jì)之前進(jìn)行優(yōu)化。對此，您可以將電路板視作一個(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)果對所選的值不太敏感。

需要注意的是：元器件會局部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高于電路板的平均值。于是，局部板溫會高于仿真預(yù)測值，因此不應(yīng)使用這一階段得出的板溫來估算元器件溫度。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上限溫度，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)。 ?

2:獲取元器件功率（猜測） 為此，對于設(shè)計(jì)中將會使用的主要散熱元器件，必須知道其功率預(yù)算的理想猜測值，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，并將其余熱量均勻分配到電路板表面。 在研究和選擇零件之前，即在項(xiàng)目的原理圖階段開始時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)師已對需要哪些關(guān)鍵組件、哪些組件需要靠近什么位置、組件尺寸等有所了解。例如，他們可能會使用其他產(chǎn)品的某些組件，或保留上一代產(chǎn)品的組件。 ?

3: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至關(guān)重要。在此階段之前反饋熱結(jié)果，就更有可能在封裝選擇標(biāo)準(zhǔn)過程中考慮熱性能。某些集成電路(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，如果選擇了適當(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。 如果缺少其他信息，能派上用場的簡單三維元器件模型是導(dǎo)熱塊。Simcenter Flotherm軟件的材料屬性經(jīng)過定制，針對不同封裝樣式產(chǎn)生不同的預(yù)計(jì)殼溫。 圖1：Simcenter FloTHERM中的集總封裝材料。

? 塑封元器件建議使用5Wm?1K?1至10Wm?1K?1的熱導(dǎo)率2，陶瓷元器件建議使用15Wm?1K?1。5Wm?1K?1顯然對應(yīng)最壞情況下的殼溫?cái)?shù)值。 以三維方式表示封裝主體后，相關(guān)人員便可考慮元器件對局部氣流以及任何下游元器件的影響。較大元器件會阻擋冷卻空氣流動(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)域中所有元器件的溫度可能都很高。建議將所有矩形元器件對齊，使其長邊與主要?dú)怏w流動(dòng)方向平行。這不僅會降低總體壓降（因?yàn)闅饬饔龅降淖璧K更少），而且會縮小尾流區(qū)，盡可能減少對下游元器件的影響。 ?

4:反饋熱結(jié)果 在這一階段，您可以開始將有關(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）極具參考價(jià)值，您可以借此顯示如何處理可用的冷卻空氣，以及對元器件溫度可能造成的影響。 必須強(qiáng)調(diào)的是，這些標(biāo)稱元器件殼溫值會發(fā)生變化，因?yàn)樗鼈兓谝韵聴l件： ?假定的布局 ?粗略的功率估算 ?封裝選擇的不確定性 ?PCB中未知的疊層和銅層分布 ?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)的展開不斷進(jìn)行優(yōu)化的模型。這個(gè)模型帶來了有效平臺，可用于調(diào)查元器件布置對元器件及其相鄰元器件的溫度影響，從而據(jù)此結(jié)果輕松調(diào)整，而且模型的重新運(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，接下來可以對此進(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，因此這種試驗(yàn)有助于了解在開發(fā)熱模型時(shí)應(yīng)優(yōu)先關(guān)注哪些方面。 ?

5:盡早確定散熱器尺寸 對于任何可能過熱的元器件，都應(yīng)當(dāng)研究能否通過散熱器來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）鰭片散熱器可能更合適。否則，應(yīng)當(dāng)考慮柱狀鰭片散熱器。 Simcenter Flotherm和Simcenter Flotherm XT提供了散熱器SmartPart，可用于通過參數(shù)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。此舉是為了確定能否將散熱器簡單地安裝在封裝頂部，或者是否需要更大的散熱器。對于后一種情況，我們還要了解用于機(jī)械安裝的電路板基板面（參見圖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崞鞯臋C(jī)械安裝可能會影響元器件布置。 散熱器本質(zhì)上是面積擴(kuò)展裝置，旨在擴(kuò)大空氣流通的表面來增加與空氣的對流熱傳遞。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。基座充當(dāng)散熱器，有助于降低元器件溫度。首先使用較短且間距較寬的鰭片，以便盡可能減少對氣流的阻礙以及散熱器引起的尾流，進(jìn)而降低對下游元器件散熱的影響。 ? ? ? 如果結(jié)果表明，元器件可以利用安裝于自身的相對較小的散熱器來散熱，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（毫米）、熱導(dǎo)率約1.0Wm?1K?1的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱墊是比較保險(xiǎn)的選擇。

? 6: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)其使用密切相關(guān)的熱指標(biāo)來比較候選元器件的熱性能。

對于沒有散熱器的組件，可用于比較的密切相關(guān)的熱指標(biāo)是聯(lián)接對電路板電阻。3對于預(yù)計(jì)有散熱器的組件，聯(lián)接對電路板電阻相關(guān)度較高，因?yàn)殡娮柰ǔＪ轻槍εc散熱器的接觸面而定義的。?對于晶體管輪廓(TO)型封裝，該接觸面通常是焊接在PCB上。若這兩個(gè)指標(biāo)均可用，則可以按電子元件工業(yè)聯(lián)合會(JEDEC)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建一個(gè)雙熱阻模型（參見圖3），并重新運(yùn)行熱模型以獲得第一個(gè)結(jié)溫估算值。? 在預(yù)測精度方面，再上一個(gè)級別則是DELPHI模型。?相較于雙電阻模型，DELPHI模型更適用于散熱器，因?yàn)轫斆娣譃椴煌瑴囟鹊膬?nèi)部和外部區(qū)域，可用來初步研究散熱器底座厚度的影響。然而，對于需要散熱器且熱特性較為關(guān)鍵的封裝，建議使用詳細(xì)模型。 圖 3：用于設(shè)計(jì)的封裝熱信息的保真度層級。 ?
此外，建議在互聯(lián)網(wǎng)上搜索元器件產(chǎn)品說明，看看是否有任何可用的Simcenter FloTHERM模型；若沒有，可向供應(yīng)商申請Simcenter FloTHERM模型。有時(shí)候，獲得這些模型需要遵守保密協(xié)議(NDA)。Simcenter FloTHERM作為廣泛使用的電子散熱計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，許多領(lǐng)先的IC封裝供應(yīng)商都可為其提供熱模型。這也是Simcenter FloTHERM PACK真正體現(xiàn)其價(jià)值的地方。大約70%的Simcenter 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Simcenter FloTHERM PACK的JEDEC封裝向?qū)捎写硇缘姆庋b熱模型。Simcenter FloTHERM PACK還為您提供了所有輸入數(shù)據(jù)的完全訪問權(quán)，因此，只要獲得關(guān)于封裝的更多信息，就能立即更新模型，并生成雙熱阻模型、DELPHI模型?和詳細(xì)模型。因此，隨著設(shè)計(jì)的展開，您可以輕松地優(yōu)化元器件熱模型。
? 7: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，就可以開始研究結(jié)果對電路板熱導(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1,000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。在對電路板進(jìn)行布線之前的早期設(shè)計(jì)中，可使用浮動(dòng)變化固定在一定范圍內(nèi)（比如5Wm?1K?1到15Wm?1K?1）的簡單各向同性熱導(dǎo)率值來了解PCB熱性能對仿真結(jié)果有多大影響。在深化設(shè)計(jì)期間，需要對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）。在獲得原理圖之后、電路板布線之前可以獲得的有用信息是電路板疊層。 務(wù)必估算電路板可能會有多少信號層和電源/接地層。PCB表面上的走線會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在宏觀上提高層內(nèi)熱導(dǎo)率。 從熱角度看，這些含銅層對PCB性能的貢獻(xiàn)受其厚度影響。常見的厚度是0.50盎司(Oz)或1.0Oz銅。Oz表示以盎司為單位均勻分布在一平方英尺面積上的銅的重量。??1Oz等于1.37mil（千分之一英寸）或0.0347mm。 一旦獲得PCB中各類型（信號或電源/接地）的層數(shù)估算值，便可升級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1Oz厚度，走線層應(yīng)使用0.5Oz厚度，覆銅百分比分別假定為80%和20%。電介質(zhì)對面積平均熱導(dǎo)率（包括層內(nèi)和層間）幾乎無影響，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%。 介電層的下限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。 對于小型、大功率、低引腳數(shù)的封裝，電路板上走線的長度尺度在數(shù)量級方面與封裝類似，因此在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)系統(tǒng)提供這些信息之前，有必要在與封裝類似的幾何細(xì)節(jié)級別上對這些特性進(jìn)行建模。例如，在對封裝進(jìn)行詳細(xì)建模時(shí)，代表TO封裝上所焊接的銅墊，以及封裝上的局部走線。對焊盤下方用來將熱量導(dǎo)向埋入接地層的所有熱過孔進(jìn)行建模時(shí)，也應(yīng)采取類似的做法。 ?

8:從EDA系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)

Simcenter FloTHERM和Simcenter 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：SPADS軟件、Boardstation軟件、Xpedition軟件、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Simcenter FloTHERM XT的FloEDA Bridge軟件，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、過孔分布以及電源和接地層上的銅皮形狀。

? 9:在設(shè)計(jì)流程中提前考慮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)提前。 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、更可靠，結(jié)果也會優(yōu)于分步進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的情形。關(guān)鍵是不同專業(yè)對各流程可以且應(yīng)當(dāng)完成哪些工作達(dá)成共識，這也正是本文的意圖。 ?

10: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，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)越來越嚴(yán)重的問題，對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)對這個(gè)問題，西門子在布局和布線工具集之外推出了HyperLynx Thermal和HyperLynx PI軟件（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，焦耳加熱會在PCB中產(chǎn)生額外的熱源。Simcenter FloTHERM可用于逐層導(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。 Simcenter FloTHERM等CFD軟件可以極為精確地表示PCB的對流散熱以及與周圍物體的輻射熱交換。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Simcenter FloTHERM或Simcenter FloTHERM XT。 圖 4：設(shè)計(jì)期間的 CFD 結(jié)果與利用紅外攝像機(jī)測量的實(shí)際 PCB 的對比。

結(jié)語

本白皮書概要介紹了PCB熱設(shè)計(jì)的重要考慮事項(xiàng)，但并非面面俱到。如果您負(fù)責(zé)PCB級別熱設(shè)計(jì)，想了解西門子的熱設(shè)計(jì)軟件如何能夠幫助您，以及什么產(chǎn)品適合您，敬請聯(lián)系我們。Simcenter還提供了連接Xcelerator Share的機(jī)會。Xcelerator Share是以工程為中心的云解決方案，尤為適合協(xié)同；借助Xcelerator Share，各種規(guī)模的團(tuán)隊(duì)都可以通過合適的訪問控制與關(guān)鍵利益相關(guān)方安全地展開合作，包括設(shè)計(jì)師、經(jīng)理、測試工程師、供應(yīng)商、客戶等。這樣便打造了以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的可擴(kuò)展工作空間，可以更靈活地開發(fā)產(chǎn)品。項(xiàng)目成員可以隨時(shí)在任何設(shè)備上查看和批注設(shè)計(jì)、共享仿真模板和審核仿真結(jié)果。 ?

參考文獻(xiàn)

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6.DELPHI Compact Thermal Model Guideline.JEDEC Guideline JESD15-4, October2008.

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8.http://www.pcbuniverse.com/pcbu-tech-tips.php?a=4

編輯：黃飛

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