圖2：穩(wěn)態(tài)條件下PCB溫度分析情況
 

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零配件電氣及熱性能確定工作。一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環(huán)境溫度，使設計人員用于計算零配件的功耗，通過進一步重復計算元件溫度知道是否還需要作其它工作。

 

一般電子零配件制造商都提供有零配件規(guī)格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響，消費類電子產(chǎn)品常采用塑料封裝元件，其最高工作溫度是85℃；而軍用產(chǎn)品常使用陶瓷元件，最高工作溫度為125℃，額定最高溫度通常是105℃。PCB設計人員可利用元件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗。

 

穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)？

設計人員和熱分析人員需要一起探討應在何種工作狀態(tài)下進行分析才能使設計達到滿意。用額定功率進行穩(wěn)態(tài)分析可行嗎？或者還是要用最大功耗？這些部件是同時運行呢還是運行的切換時間之間有較長延遲？如果是后者，則需要進行瞬態(tài)分析。通常情況下可用最大功耗對所有元件進行穩(wěn)態(tài)分析，如果此時所有元件都低于可接受的最高溫度，就無需再作進一步研究。然而很多元件都可能超過允許的溫度范圍，所以這種方法一般都通不過。

 

計算元件溫度最準確的方法是作瞬態(tài)熱分析，它能將元件功耗隨時間的波動情況考慮進來。但是確定元件的瞬時功耗十分困難，在有限的設計時間內(nèi)要想對PCB上所有元件進行此項工作是根本無法完成的(圖3)，瞬態(tài)分析還需要將很多相關(guān)數(shù)據(jù)如品質(zhì)及熱容量等數(shù)據(jù)輸入到熱模型中。一個比較好的折衷方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進行額定和最差狀況分析。

 

熱邊界條件

PCB受到各種類型熱量的影響，可以應用的典型熱邊界條件包括：

?前后表面發(fā)出的自然或強制對流；

?前后表面發(fā)出的熱輻射；

?從PCB邊緣到設備外殼的傳導；

?通過剛性或撓性連接器到其它PCB的傳導；

?從PCB到支架(螺栓或黏合固定)的傳導；

?兩個PCB夾層之間散熱器的傳導。

 

兩表面間的輻射傳熱與溫度的四次方成正比，除非兩表面間溫差很大，否則其影響非常小。在太空中的人造衛(wèi)星上，輻射是唯一傳熱方式，而在汽車或消費電子應用中如果元件溫度不是接近于運行極限，通常對此不作考慮。

 

自然對流是指由于氣體溫度差異導致浮力而產(chǎn)生的氣流，例如冷卻架上垂直排列的一組PCB，這?氣流可以穿越于PCB之間，底部的冷空氣藉由工作中的PCB時將被加熱，于是就產(chǎn)生了氣流。

 

更有效的冷卻方法是強制對流，通常用一個或一組風扇來實現(xiàn)。對流傳熱與傳熱系數(shù)及表面與空氣的溫差成正比，自然對流的傳熱系數(shù)通常在2～25W/m2K之間，強迫對流通常在25～250W/m2K之間。有許多經(jīng)驗公式可用于確定對流傳熱系數(shù)，一般PCB采用平面型應用公式。

 

熱模擬工具

目前有很多種形式的熱模擬工具，從文本界面通用工具到圖形用戶界面專門針對PCB的工具都有，這當中還有多種類型，另外也可在有限差分、有限容積或有限元中選擇一種分析方法。價格和具體應用是確定模擬工具的兩個基本標準。

 

基本熱模型及分析工具包括分析任意結(jié)構(gòu)的通用工具、用于系統(tǒng)流程/傳熱分析的計算流體動力學(CFD)工具，以及用于詳細PCB和元件建模的PCB應用工具。

圖3：PCB頂部四個位置的瞬態(tài)溫度相應曲線
 

通用工具－這種工具一般采用有限元法，可對任何結(jié)構(gòu)進行建模，但是需要很長的建模和分析時間。該工具適合于含多個不同功耗結(jié)構(gòu)的大型對象，如有多個PCB的電子設備。通常它與PCB專用熱分析工具共同使用，利用通用工具對系統(tǒng)的粗略模型進行分析，為PCB和元件的詳細分析提供邊界條件。

 

CFD工具－這類工具利用有限容積法，在平板流量假設效果不好時用來分析液體流動。和上面一樣，該工具也經(jīng)常與PCB專用工具共同使用，提供有關(guān)傳熱系數(shù)和PCB表面局部空氣溫度的邊界條件。這種模型一般較大，建立和運行都要耗費較長的時間。

 

PCB工具－這種工具一般每次分析一塊PCB，可用于母板/子板設置的建模。它能提供PCB及相關(guān)元件的詳細模型，用戶可很容易地作業(yè)模型以檢查不同的設計方案，該工具利用平板流量假設得出對流邊界條件。由于PCB ECAD數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)能很容易地轉(zhuǎn)化到工具中，所以它無須再從頭開始建立PCB模型。該工具的優(yōu)點包括能大幅降低建模和分析時間、可得到更加詳細的PCB和元件模型，以及簡便的“what-if式”分析方式。不過它也有一些缺點，如簡化的氣體流量假設可能并不適用于所有情況，同時它不能處理系統(tǒng)級分析。

 

每種工具在PCB熱分析中都有其用途，在應用中可能會發(fā)現(xiàn)有時需要用到不止一個工具。如果熱分析需求更接近于系統(tǒng)分析，則可考慮使用通用工具或CFD系統(tǒng)級工具；如果主要都是一次只分析一兩塊PCB，或是想進行詳細的PCB分析，則可考慮PCB專用工具。