當前，電子產品朝著功能齊全、輕量化、低成本的方向發(fā)展，這種需求使得PCB板必須在高密度電流的情況下工作。一般來說，汽車電子產品在惡劣的環(huán)境中運行。在過去的幾十年中，電子在汽車行業(yè)中使用越來越多，其對輕量化和經濟高效電子的需求呈指數(shù)級增長。

 

另外與外部包裝輕量化要求相同，電子產品的功能增加了很多，這勢必對電子產品的熱管理提出了挑戰(zhàn)。為了滿足應用程序所需的眾多功能，電路板器件的密度、PCB板上的電流也增加了很多。

 

在高電流的需求下，焦耳加在PCB板上的熱耗是非常大的。如果采用自然散熱的方式，不對PCB表面使用額外冷卻手段的情況下，PCB上的器件和銅箔層的散熱是一個巨大的熱挑戰(zhàn)。

 

關鍵詞：設計優(yōu)化 電-熱模擬  焦耳加熱   高電流密度    PCB

 

在本研究中，該產品包含，一個塑料外殼，PCB及能夠在高電流下工作的電子元件。該PCB產品擁有多個輸入和輸出，支持各種負載。高密度電流流過PCB中的多層銅箔上。這些銅層(由于尺寸的限制) ，在高密度電流情況下，勢必導致較高的焦耳熱。另外，在PCB基板上有多個電子部件工作。結果，這些部件處于較高的工作溫度下。

 

本研究使用熱風險管理工具(Thermal Risk Management tool，TRM)進行電熱模擬，熱測量分別通過熱成像和熱電偶，來對熱場和元件的溫度進行測量。熱模擬與測量的結果進行對比，誤差在±3%范圍內。

 

在驗證了熱仿真模型的基礎上，通過仿真進行了參數(shù)化研究，優(yōu)化了銅線的幾何形狀和元件位置，優(yōu)化了元件、PCB的功耗、PCB布線的布局堆疊和PCB基材。這種優(yōu)化有助于減少PCB板上的熱點和溫度。在早期產品的開發(fā)階段，可以大大降低開發(fā)成本和產品成本。

 

PCB板上銅箔流入電流，進而產生熱量，其公式為：

其中Q表示焦耳熱耗，單位為W；I 為流入電路板的電流，單位為A；R為銅箔的電阻，單位為歐姆。電阻R與銅箔的幾何及電阻系數(shù)有關，其對應公式為：

這里p表示銅箔的電阻率，單位為w.m；L為銅箔的長度，單位為m；A為電流通過銅箔的橫截面積，單位為m2。

 

隨著電流的增大，焦耳熱可能變成了一個巨大的挑戰(zhàn)。如果內部產生的熱量相對較高，加上比較惡劣的高溫外部環(huán)境，熱挑戰(zhàn)就會被放大許多倍。

 

一、產品

 

對某一個汽車電子單元產品進行分析，它支持車輛上的多種應用。為了滿足所有這些需求，PCB板上需要通入較高的電流。銅層，由于尺寸的限制，在流入高密度電流后，導致更高的焦耳熱。除此之外，電路板上的器件也會有大量的熱生成。相應的結果就是，整個PCB板上的器件處于高溫的狀態(tài)下。

 

二、電—熱耦合模擬

 

PCB板的電-熱模擬有助于

 

1、可視化整個板子的熱場；

2、識別電流流動的瓶頸；

3、識別電路板上的熱點，以便對PCB板銅箔布局進行優(yōu)化，降低銅箔產生的焦耳熱。

 

在本研究中，通過熱風險管理方法（Thermal Risk Management tool，TRM）電-熱模擬來進行，該工具用于計算電子器件和PCB的溫度。

 

三、仿真模型

 

該模型由元件及其各自的功耗、PCB板內部的熱過孔及熱耗、PCB板基材（FR4)、不同的銅層、銅層之間電流流動的導電體、輸入輸出引腳等等。

 

外殼結構的影響主要體現(xiàn)在邊界條件對應的換熱系數(shù)上。總的換傳系數(shù)是考慮整個產品的傳導、對流和輻射，進行系統(tǒng)級的共軛傳熱模型導出的，電流(I)被分配給輸入和輸出的引腳。將環(huán)境溫度作為邊界條件應用于PCB及元件。

 

四、模擬的有效性

 

為了通過消除熱瓶頸來評估產品的熱風險，提高產品的使用壽命，對元件、PCB和塑料外殼的溫度與極限進行了比較。

 

由于電子產品的溫度每升高10°C，其壽命將減少一半，所有的電子產品將必須保持在合理的工作溫度下。

 

壽命和工作溫度的關系是：

t表示工作時間，單位為h；c為常數(shù)；T表示器件的工作溫度，單位為K。

 

為了驗證模擬結果，在實驗室中通過紅外熱成像和熱電偶測量，對板級和組件級進行了測量。分別用于熱場和元件溫度。模擬和測量結果表明PCB板的溫升誤差在±3%以內。

 

表1顯示了被測量的幾個工作部件的溫度以及它們在模擬中的預測溫度。

五、初始模型

 

一旦通過實驗室測量驗證了仿真模型，那么可以對完整模型進行全負荷加載，其中PCB板的電流和元件的功耗都是最大的。銅層的厚度信息如下表所示（每層厚度35微米）：

 

測試電路板的頂面，電路板的最大溫升為88.8 ?C，電路板整體的焦耳熱為13.03 W。

 

原始PCB板頂部的溫度分布云圖

 

原始PCB板底部的溫度分布云圖

 

七、優(yōu)化方案1

 

由于焦耳熱相當高(即13W)，這勢必導致PCB和元件的溫度也比較高，因此需要對銅箔進行了修改，以減少它。作為減少焦耳熱的第一步，可以通過增加銅層的厚度來增加電流流過的截面面積。銅層厚度如下：

 

通過計算，可以得到電路板上的最大溫升為59.8?C，焦耳熱由13.03 W降至6.81W。隨著銅層厚度增加為原來的兩倍，電流流經的斷面面積增加了一倍，這使得焦耳加熱減少了一半。

 

方案1—PCB板頂部的溫度分布云圖

 

八、優(yōu)化方案2

 

隨著銅層厚度的增加，截面面積增大，這是降低PCB的焦耳熱和最高溫度的有效途徑。在繼續(xù)優(yōu)化設計的方案中，選用最大的銅層厚度。修改銅箔層厚度信息，如下表所示：

 

方案2—PCB板頂部的溫度分布云圖

 

在此方案中，PCB板的最高溫升為53.3?C。增大電流流經的截面積，可以進一步減少焦耳熱，從而降低PCB的溫度。頂層銅箔的最大電流密度從140A/mm2降至120A/mm2，內部4層的最大電流密度由73A/mm2降低至62A/mm2。

 

九、結論

 

降低元器件和PCB的溫度是提高電子產品壽命的重要設計目標。對于高電流密度的PCB板而言，要保持其維持安全的溫度，焦耳熱必須最小。通過優(yōu)化布線的幾何尺寸，進行了方案的修改（PCB板布線布局的修改），進一步降低了PCB板及器件的最高溫度，如方案2所示，內部層用來承載電流，使得PCB板的最高溫升由原始的88℃降低到53℃，這大大提高了電子器件的壽命。

 

通過本案例的熱模擬計算，可以幫助工程師在產品設計的初期階段，快速找出熱點區(qū)域，并采取相應的措施消除熱點區(qū)域。