PCB性能的很多方面是在詳細設計期間確定的，例如：出于時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序問題。PCB設計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，如果發現元器件運行溫度過高，只能采取補救措施。我們倡導從系統或整機層次開始的由上至下設計方法，以便了解電子設備的熱環境，這對風冷電子設備非常重要。早期設計中關于氣流均勻性的假設若在后期被證明無法實現，將對產品的商業可行性帶來災難性影響，并最終失去市場機會。

優化熱布局

“盡早開始并從簡單的做起”，這是金科玉律。負責產品熱設計的工程師應當向電子工程師提供盡可能多的反饋意見，優化PCB熱設計，尤其是在早期設計階段。

從熱設計工程師的角度看，在PCB 設計時，幫助確定封裝選擇和理想的元器件位置布局，以利用系統氣流進行散熱。當然，布局和封裝選擇主要取決于電子性能與成本考慮。但是，應當盡可能弄清這些會給熱性能帶來怎樣的后果，因為溫度和散熱同樣會影響性能與成本。

1開始預布局

在電子設計流程中，完成PCB布線之前有大量工作可以做。事實上，在此之前，任何熱因素對設計產生的影響都需要考慮在內。利用機箱的簡單模型就可以完成大量工作，提供有關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表面。據此生成的溫度圖會指示出任何因為氣流分布不當而引起的高溫區域，機箱內氣流應當在PCB設計之前進行優化。對此，您可以將電路板視作一個具有5Wm-1K-1到10Wm-1K-1各向同性熱導率的模塊。這個階段獲得的結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測值，因此不應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，必須細化模型。

如果任一點的板溫接近元器件外殼上限溫度，那么一旦用詳細建模方式表示元器件熱源，就極有可能超過此限值。因此，可能需要給一個或多個元器件添加散熱器來散熱。

2獲取元器件功率

為此，對于設計中使用的主要發熱元器件，必須知道其預算的熱功耗值，以及其封裝的大致尺寸，這一點非常重要。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，即在項目的原理圖階段開始時，系統架構師已對需要哪些關鍵組件、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品的某些組件，或保留上一代產品的組件。

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，嘗試利用元器件詳細模型仿真至關重要。在此階段之前反饋 熱仿真結果，就更有可能在封裝選擇標準過程中充分考慮散熱性能。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，如果選擇了適當的封裝，后期可能不需要使用散熱器。

元器件溫度（殼溫或結溫，取決于制造商提供的元器件規格書）是表明熱設計是否合格的關鍵指標。然而，在此階段，我們只能獲得元器件溫度的粗略估算值。

如果缺少封裝詳細信息，能派上用場的簡單三維元器件模型就是導熱的體積塊。Simcenter Flotherm軟件的材料屬性經過定制，針對不同封裝樣式產生不同的預計殼溫。

 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的熱導率，陶瓷元器件建議使用15Wm^-1K^-1。5Wm^-1K^-1顯然對應最壞情況下的殼溫數值。

以體積塊表示封裝主體后，相關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到較小、較低的元器件；元器件背后的尾流區是同樣的空氣不斷循環流動的區域，因而該區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，使其長邊與主要氣體流動方向平行。這不僅會降低總體壓降（因為氣流遇到的阻礙更少），而且會縮小尾流區，盡可能減少對下游元器件的影響。

4反饋熱仿真結果

在這一階段，您可以開始將有關PCB性能的信息反饋給PCB設計團隊。雖然這個階段的仿真相對粗糙，但主要仿真結果（即電路板上的氣流分布和相應的板溫圖）極具參考價值，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。

必須強調的是，這些標稱元器件殼溫值會發生變化，因為它們基于以下條件：

? 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計（若已經知道是必需的）

但即便如此，它仍然是一個有用的起點，既有助于了解系統性能，又提供了一個可隨著設計的展開不斷進行優化的模型。這個模型帶來了有效平臺，可用于調查元器件布置對元器件及其相鄰元器件的溫度影響，從而據此結果輕松調整，而且模型的重新運行通常也只需要幾分鐘，而不是數小時。

結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，接下來可以對此進行研究。另外，一旦獲知關于封裝選擇的更多信息，有些元器件的模型可能需要進一步優化，因此這種嘗試有助于了解在開發熱模型時應優先關注哪些方面。

5盡早確定散熱器尺寸

對于任何可能過熱的元器件，都應當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垂直，則板型（或擠壓）鰭片散熱器可能更合適。否則，應當考慮柱狀鰭片散熱器。

Simcenter Flotherm和 Simcenter Flotherm XT提供了散熱器SmartPart，可用于通過參數定義散熱器幾何形狀。首先將散熱器的基座尺寸設為與封裝相同，然后研究不同的鰭片數量、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械安裝的電路板基板面（參見圖2），因為此信息需要盡早反饋給PCB設計團隊。若如此，則必須選擇一個能提供充分散熱的現有散熱器，或者在電路板布線之前設計一個定制散熱器，因為散熱器的機械安裝 可能會影響元器件布置。

散熱器本質上是面積擴展裝置，旨在擴大空氣流通的表面來增加與空氣的對流換熱。散熱器一般由鋁合金制成，以便熱量能夠有效擴散到整個基座并達到鰭片。使用散熱器，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，進而降低對下游元器件散熱的影響。

圖 2：延伸到封裝主體之外且帶有定位銷的散熱器

如果仿真結果表明，元器件可以利用安裝于自身的相對較小的散熱器來散熱，這項活動就可以到此為止，但后期還需要重新審視。

使用散熱器時，必須考慮封裝與散熱器之間的熱學界面材料 (TIM) 的熱阻。最終選擇取決于很多因素，但在設計早期中，使用厚度約 0.2mm（毫米）、熱導率約1.0m ^-1K ^-1的標準導熱墊是比較保險的選擇。

6精確表示元器件

反饋信息給PCB設計團隊以幫助其選擇和布置元器件之后，還可以指導其使用熱指標來比較候選元器件的熱性能。

對于沒有散熱器的組件，比較關注的熱指標是結到板的熱阻。對于預計有散熱器的組件，結到殼的熱阻關注度相對較高，因為熱阻通常是針對與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。若這兩個指標均可用，則可以按電子元件工業聯合會 (JEDEC) 標準創建一個雙熱阻模型（參見圖3），并重新運行熱模型以獲得第一個結溫估算值。

在預測精度方面，再上一個級別則是 DELPHI模型。相較于雙電阻模型，DELPHI模型更適用于散熱器，因為頂面分為不同溫度的內部和外部區域，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鍵的封裝，建議使用詳細模型。

圖 3：IC封裝的不同形式熱模型的精度層級

此外，建議在互聯網上搜索元器件產品說明，看看是否有任何可用的Simcenter Flotherm 模型；若沒有，可向供應商申請 Simcenter Flotherm模型。有時候，獲得這些模型需要遵守保密協議 (NDA)。

Simcenter Flotherm作為廣泛使用的電子散熱計算流體力學 (CFD) 軟件，許多領先的IC封裝供應商都可為其提供熱模型。這也是 Simcenter Flotherm PACK 真正體現其價值的地方。大約70%的Simcenter Flotherm PACK用戶是系統集成商，他們只需要知道封裝樣式、主體尺寸和引線數量，就能利用 Simcenter Flotherm PACK的JEDEC封裝向導生成有代表性的封裝熱模型。

Simcenter Flotherm PACK 還為您提供了所有輸入數據的完全訪問權，因此，只要獲得關于封裝的更多信息，就能立即更新模型，并生成雙熱阻模型、DELPHI模型和詳細模型。因此，隨著設計的展開，您可以輕松地優化元器件熱模型。

7不要忽略電路板細節

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體積塊建模，就可以開始研究結果對于電路板熱導率的敏感度。因此，這項活動可以而且確實應當與元器件模型優化同時進行。

在實際應用中，PCB熱導率并不存在單一值。PCB由銅和介電材料組成，并且銅的導熱性能高出大約1,000倍，因此，電介質在各層之間和各條走線之間形成了熱隔離。在對電路板進行布線之前的早期設計中，可使用浮動變化固定在一定范圍內（比如 5Wm-1K-1到 15 Wm-1K-1）的簡單各向同性熱導率值來了解 PCB 熱性能對仿真結果有多大影響。在深化設計期間，需要對電路板的熱模型加以改進。

一旦大致確定布置，PCB 設計團隊的下一步工作便是原理圖捕捉和電氣仿真（例如時序）。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）擴散出去，而埋入的電源和接地層則會在宏觀上提高層內熱導率。

從熱角度看，這些含銅層對PCB性能的貢獻受其厚度影響。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）的層數估算值，便可升級PCB模型以包括上述各個層。布線之前，需要估算各個非介電層的覆銅厚度和百分比。電源和接地層應使用 1Oz 厚度，走線層應使用 0.5Oz 厚度，覆銅百分比分別假定為 80%和20%。絕緣介質對面積平均熱導率（包括層內和層間）幾乎無影響，因此可以認為這些層的熱導率分別為銅熱導率的80%和20%。

絕緣層的下限厚度取決于任一面上為補償熱膨脹系數差異而需要的銅厚度，然后便可計算板的總厚度。

對于小型、大功率、低引腳數的封裝，電路板上走線的長度尺度在數量級方面與封裝類似，因此在電子設計自動化 (EDA) 系統提供這些信息之前，有必要在與封裝類似的幾何細節級別上對這些特性進行建模。例如，在對封裝進行詳細建模時，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向埋入接地層的所有熱過孔進行建模時，也應采取類似的做法。

8從EDA系統導入數據

Simcenter Flotherm和 Simcenter Flotherm XT 具有全面的EDA接口功能，以便從所有主要EDA 系統導入數據，包括：PADSTM軟件、BoardstationTM軟件、XpeditionTM軟件、Cadence Allegro和Zuken CR5000。

從 EDA系統導入元器件布置數據可確保熱設計工具內的布置正確；布局一旦有變化，即應重新導入。利用 Simcenter Flotherm XT 的 FloEDA Bridge 軟件，一鍵即可重新導入 PCB 設計數據更新，關于用戶如何篩選此數據的所有現有設置都會保留。

詳細PCB建模涉及從EDA軟件導入疊層、走線層布線、過孔分布以及電源和接地層上的銅皮形狀。

9在設計流程中提前考慮PCB熱設計

本著持續改進的精神，應當努力在下一個項目的設計流程中將熱設計提前。

在某種程度上，這將使機械角度的熱設計與電氣角度的 熱設計同步進行。順利的話，這兩種方法可相輔相成，使得熱設計完成得更快、更可靠，結果也會優于分步進行 熱設計的情形。關鍵是不同專業對各流程可以且應當完成哪些工作達成共識，這也正是本文的意圖。

10與EDA流程協同設計

最終目標是與 EDA 流程協同進行熱設計。近年來，PCB 走線的電流密度和電源平面層上不同區域之間的直通頸縮不斷增加，使得焦耳（或歐姆）加熱成為 PCB 設計中一個越來越嚴重的問題，對電路板的電氣性能和熱性能都有影響。為了幫助電子設計人員應對這個 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中產生額外的熱源。Simcenter Flotherm可用于逐層導入詳細的熱源圖并疊加到 PCB 的詳細模型上，從而正確地計入這種熱源。

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。結束整個系統的熱設計之前，建議將 PCB中焦耳加熱所產生的熱源從 HyperLynx PI導入Simcenter Flotherm或Simcenter Flotherm XT。

圖 4：設計期間的 CFD 結果與利用紅外攝像機測量的實際 PCB 的對比

文章來源：上海坤道simuCAD