PCB熱設計
關注創建者：yxp0710 創建時間：2020-08-19
PCB熱設計的實例教程
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。
展開 在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
10 射頻功放或者LED PCB采用金屬底座基板。
11避免PCB上熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
四、總結
3.1 選材
（1）印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過 125 ℃（常用的典型值。根據選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。
（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
（3）采用多層板結構有助于 PCB 熱設計。
3.2保證散熱通道暢通
（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。
（2）散熱通孔的設置 設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充，使導熱能力提高，電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發掉。在一些特定情況下，專門設計和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板。
展開 并非所有設計或外形因素都可以適應上述所有策略。例如，散熱墊片不適用于雙面印刷電路板。如果電路板上有大量元件，其中一些元件將不可避免地要被放置在電路板的邊緣附近。
方案1—PCB板頂部的溫度分布云圖
八、優化方案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。在繼續優化設計的方案中，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，快速找出熱點區域，并采取相應的措施消除熱點區域。
展開 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。
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整燈熱設計
模組熱仿真與設計
散熱器的選擇與設計
LED與PCB的熱設計與仿真
LED生命周期預測
LED光熱特性校核
風扇型號選擇與位置優化
熱界面材料的測試與仿真
太陽輻射仿真
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。
摘要
為提升車規級氛圍燈LED驅動電路板(PCB)熱設計問題,該文提出了一種參數優化仿真的分析方法
新版本同時增強了空氣動力學聲學分析與PCB設計電子熱模擬能力，還能進行機器學習降維建模。
走線的銅厚和寬度
銅焊盤或走線的厚度和寬度在 PCB 熱設計中起著重要作用。銅跡線的厚度應足以為通過它的電流提供低阻抗路徑。這是因為銅跡線和通孔的電阻會導致顯著的功率損耗和發熱，尤其是在它們承受高電流密度時。因此，建議使用足夠的走線寬度和厚度來減少發熱。
用于 PCB 熱管理的焊盤設計
就像走線厚度一樣，焊盤厚度也很重要。
PCB熱優化設計
PICLS的熱仿真分析幾乎可以在運行的同時顯示結果，大大提高了效率。可分析布線方案、熱通道布局、散熱器、PCB層數、銅箔厚度等參數對PCB板散熱性能的影響，滿足不同客戶根據自身工藝、成本和資源進行選擇性優化的需求。還可與scSTREAM進行熱流場耦合分析，考慮對流換熱以及輻射的影響，提高仿真精度。
仿真研究演示將介紹 PCB 設計上熱通孔相對于其他設計因素的選項、優勢和局限。
我記得第一次（也是唯一的一次）我的一個電路著火了。它從電阻開始噗的一聲冒煙并迅速傳播到附近的電容。幸運的是，破壞很小，大部分元件都可以挽救。
也許你會問為什么會這樣？是不是發生了短路？
其實很簡單，我沒有考慮 PCB 上的高電流。
我記得那是我剛參加工作的時候，在某研究所為船舶用高壓共軌電噴系統開發電控單元和噴嘴驅動系統
而PCB熱設計優化也是一個不斷迭代的過程，通過設計—仿真—測試循環不斷地流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度，補充PCB熱設計經驗。
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