PCB熱分析
關注創建者：羅馬520 創建時間：2020-07-12
PCB熱分析的視頻教程
如何做汽車動力電子產品的熱仿真分析
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PCB熱分析的實例教程
熱分析可協助設計人員確定PCB上部件的電氣性能和可靠性，幫助確定元器件或PCB是否會因為過溫而導致功能失效或燒壞。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和上千個元器件的電子設備建立瞬態模型。
無論熱仿真工程師在對電子設備、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。
如果用比元件的實際功耗大的數據進行熱分析，可能會導致設計過于保守，而與之相反，也更為嚴重的是熱安全系數設計過低，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優先采用主動式散熱(如自然對流、傳導及輻射散熱)，其次再采用被動式冷卻方式。
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設計中都可能發生，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。
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。設計人員先初步確定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細化的熱模型中，計算出PCB和相關元件的溫度，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。
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元器件電氣及熱性能確定工作。
展開 14?采用FR4介質的Ⅱ型PCB面積約為Ⅰ型PCB面積的2.5倍,其元件的仿真溫度較Ⅰ型PCB下降約17~25℃,在Ⅱ型PCB的基礎上做更加密集的過孔放置得到Ⅲ型PCB,元件的仿真溫度繼續下降約0.5~5℃?采用鋁基介質時,Ⅰ型PCB的各元件仿真溫度較采用FR4介質普遍降低6~18℃,Ⅱ型和Ⅲ型PCB仿真溫度較使用FR4介質時普遍下降6~14℃?其中鋁基板Ⅰ型氛圍燈由于尺寸的限制,LED的仿真溫升最低為62.4℃,不符合設計要求,而鋁基板Ⅱ型氛圍燈PCB和鋁基板Ⅲ型氛圍燈PCB已經完全滿足設計要求?
結論
本文通過熱仿真分析方法,實現了氛圍燈LED的PCB熱性能的優化?在原有的Ⅰ型氛圍燈PCB設計不符合溫度要求的基礎上,借助熱仿真分析了該設計的不足?通過增大設計尺寸和增加過孔,設計了改善的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB,但是仍不滿足車規級溫升要求?最后通過改變PCB的基材介質為鋁基介質,借助于熱仿真,論證了鋁基材質的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB的設計滿足車規級要求?
【參考文獻】
[1]劉兆洪,龐傳和.
展開 由于PCB高密度的發展趨勢以及無鉛與無鹵的環保要求，越來越多的PCB出現了爆板、分層等各種失效問題。本文首先介紹DSC、TGA與TMA等熱分析技術，然后結合PCB的典型的失效分析案例，介紹這些分析技術在實際的案例中的應用。PCB失效機理與原因的獲得將有利于將來對PCB的質量控制以避免類似問題的再度發生
熱分析技術在PCB失效分析的應用.pdf
穩態熱分析和瞬態熱分析用于研究由這些芯片產生的熱量引起的溫度變化。
操作步驟
創建穩態熱分析項目：Steady-State-Thermal；
在穩態分析項目之后，創建一個瞬態熱分析項目，并于穩態熱分析項目連接；連接方式如圖所示：
導入幾何模型：導入PCB板的幾何模型X_T格式；切換單位制為：Metric（m,kg,N,s,V,A）
網格劃分：設置網格劃分方式為Multi Zone；
設置Sizing：選擇初PCB板之外的其他15個元件，設置網格尺寸為：0.0009m；
設置Sizing：選擇PCB板，設置單元尺寸大小為：0.002m；如圖所示：
設置邊界條件：
設置發熱芯片的發熱量：Internal heat generation 大小為：5e7W/m3；芯片位置如圖所示：
設置熱傳導Convection：選擇所有的幾何模型；在Film Coefficient欄右鍵，選擇Import Temperature Dependent，如圖所示：
選擇Stagnant Air-Simplified Case；如圖所示：
5.求解&查看結果：查看穩態分析結果的PCB板及元件溫度場如圖所示：
現在已完成穩態熱分析，這是總體目標的第一部分；對于本案例，將在其余步驟中執行瞬態熱分析。
準備瞬態熱分析時需要注意的事項：
? 如果突出顯示瞬態熱對象下的初始溫度對象，會注意到在詳細信息視圖中，只讀顯示初始溫度和初始溫度環境。一般來說，初始溫度可以是：– 統一溫度：可以在其中指定結構中所有物體的溫度=0，或 – 非均勻溫度：（如本例所示）在其中導入溫度規范 在時間=0 時，來自穩態分析。
? 初始溫度環境來自您剛剛執行的穩態熱分析。
展開 用戶可以從瞬態熱分析的溫度圖表中復制并粘貼源時間（Source Time）和分析時間（Analysis Time）的數據。
8.在 PCB 板孔位處添加固定支撐。
9.對模型進行網格劃分并運行瞬態結構仿真，輸出應力結果云圖，該圖顯示了應力隨時間的變化情況。
總結
本次分析成功執行了 PCB 組件的瞬態熱-順序耦合仿真。通過將瞬態熱分析得到的溫度時程作為載荷，輸入至瞬態結構分析中，直接觀察并獲得了關鍵元器件的熱應力隨時間變化的響應。
仿真結果直觀展示了在功率加載或環境變化的瞬態過程中，熱應力如何隨溫度場同步演變，清晰地揭示了應力集中區域的動態形成過程與峰值時刻。這為評估元件在真實波動工況下的瞬態力學負載與潛在風險提供了直接的依據。
本次分析有效完成了從動態熱輸入到動態應力輸出的因果鏈路驗證，為后續的簡易可靠性評估與設計改進提供了核心的觀測數據。
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上圖展示了用于熱分析的PCB板設計示例。綠色層為硅片，棕色層為PCB板。PCB板與硅片之間采用球柵陣列（BGA）連接。透明框內為位于PCB板頂部的集成電路（EIC），EIC用作熱源以啟動PCB板的熱分析。在本例中，我們將EIC視為均勻熱源，用戶也可以加載EIC的功率分布圖以進行更復雜的熱分析。
本次熱仿真中，EIC加熱數據來自芯片熱模型（CTM），焦耳加熱數據則來自SIwave。
概述
PCB 組件在工作時產生的熱量會直接影響其電性能與長期可靠性。過高的溫度或頻繁的溫度波動會引發材料老化、信號失真，并因材料間熱膨脹系數不匹配而產生熱應力，最終導致焊點開裂、器件失效等故障。因此，評估 PCB 可靠性必須進行瞬態熱力耦合分析，即先分析動態溫度場，再計算由此產生的熱應力。
目標
通過高保真建模仿真，系統觀察并量化印刷電路板（PCB）上關鍵元器件在瞬態熱載荷作用下的力學響應與應力表現
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在PCB電路板級方面，我們提供 PollEx，用于：
電氣設計規則檢查（DFE）；
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高頻信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和 EMI 分析；
高頻仿真核心工具是 Feko，用于：
天線與天線罩設計；
天線布局分析；
電磁兼容性（EMC）分析；
材料（稀薄材料
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電子冷卻和PCB 熱仿真與分析軟件正在加速產品設計，Ansys Icepak是用于熱管理的CFD求解器，可預測芯片封裝、PCB、電子組件和電力電子設備中的氣流、溫度和傳熱。在最新2025 R1 版本中，Ansys Icepak 持續為更多電氣、結構、熱和半導體/芯片級熱工程用戶提供技術支持。
</p><h3><strong>客戶成功案例</strong></h3><p> “Celsius Studio 的問世是 Cadence 開拓系統分析市場的一個里程碑，它不僅為芯片、封裝和 PCB 熱分析提供了理想的 AI 平臺，還為電子散熱和熱應力分析提供了卓越的 AI 平臺，對于當今先進的封裝設計（包括 chiplet 和 3D-IC）而言，這類分析至關重要
熱分析方法以及參數設置
網格劃分技術介紹——非連續性網格的設置方法
瞬態分析計算設置
相關案例操作
第三天
Icepak/AEDT參數化分析流程簡介
Icepak/AEDT 參數化設計、分析（單物理場/多物理場耦合）方法
擬CEPAK/AEDT 優化分析案例展示
Icepak優化案例操作練習
綜合答疑
【報名鏈接】
https://www.wenjuan.com
該示例問題演示了如何使用獨立于網格的增強單元來執行印刷電路板（PCB）的熱結構分析。
重點介紹了以下特性和功能：
• 使用離散和涂抹的加固單元進行建模。
• 熱分析后進行下游結構分析。
介紹
印刷電路板（PCB）在電子設備和其他相關應用中無處不在。一般來說，PCB是由多層層壓材料和多層樹脂粘合而成的。
因此，進行汽車級 PCB 熱模型仿真分析，從而為 PCB 的設計提供指導尤為重要。
本文基于一款車規級 LED 驅動電路 PCB 設計過程中對熱量的評估，從仿真的角度出發，研究了 PCB的尺寸、主要功率元件散熱焊盤上的過孔密度和 PCB基板介質材料的優化問題。
PCB熱應力翹曲分析
7. 芯片焊點疲勞分析
8. SCSP封裝器件濕度擴散仿真
9. PCB振動仿真
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