简化PCB热设计的十大技巧

 

PCB性能的很多方面是在深化设计期间确定的，例如：出于时序原因而让一条走线具有特定长度。元器件之间的温度差也会影响时序问题。PCB设计的热问题主要是在元器件（即芯片封装）选择和布局阶段 “锁定”。在这之后，如果发现元器件运行温度过高，只能采取补救措施。我们倡导从系统或外壳层次开始的由上至下设计方法，以便了解电子设备的热环境，这对气冷电子设备非常重要。早期设计中关于气流均匀性的假设若在后期被证明无法实现，将对产品的商业可行性带来灾难性影响，并最终失去市场机会。

 

优化热布局

 

“尽早开始并从简单的做起”，这是金科玉律。负责产品热完整性的机械工程师应当向电子工程师提供尽可能多的反馈意见，优化其热设计，尤其是在早期设计阶段。

 

从机械工程师的角度看，在PCB 层，这意味着帮助选择封装和理想元器件位置，以利用系统气流进行散热。当然，布局和封装选择主要取决于电子性能与成本考虑。但是，应当尽可能弄清这些选择会给热性能带来怎样的后果，因为温度和散热同样会影响性能与成本。

 

1. 开始预布置/预布局

 

在电子设计流程中，完成布局之前有大量工作可以做。事实上，在此之前，任何热因素对设计产生的影响都需要考虑在内。利用机壳的简单表征就可以完成大量工作，提供有关电路板上气流分布的信息。

 

首先，简单地将电路板的总功率分配到电路板的整个表面。据此生成的温度图会指示出任何因为气流分布不当而引起的高温区域，机壳层气流应当在PCB设计之前进行优化。对此，您可以将电路板视作一个具有5Wm^-1K^-1到10Wm^-1K^-1各向同性热导率的模块。这个阶段获得的结果对所选的值不太敏感。

 

需要注意的是：元器件会局部地将热量注入电路板中，因此元器件下方的电路板中的热通量密度会高于电路板的平均值。于是，局部板温会高于仿真预测值，因此不应使用这一阶段得出的板温来估算元器件温度。要估算元器件温度，必须优化模型。

 

如果任一点的板温接近元器件外壳上限温度，那么一旦用离散方式表示元器件热源，就极有可能超过此限值。例如，若已知一个或多个元器件需要散热器，这种情况就可能出现。

 

2: 获取元器件功率

 

为此，对于设计中将会使用的主要散热元器件，必须知道其功率预算的理想猜测值，以及其封装的大致尺寸，这一点非常重要。这样您就可以在仿真中将其描述为封装热源，并将其余热量均匀分配到电路板表面。

 

在研究和选择零件之前，即在项目的原理图阶段开始时，系统架构师已对需要哪些关键组件、哪些组件需要靠近什么位置、组件尺寸等有所了解。例如，他们可能会使用其他产品的某些组件，或保留上一代产品的组件。

 

3: 选择封装之前使用三维元器件模型

 

尽管比较困难，但在最终选定元器件之前，尝试在仿真中包含某种形式的三维元器件模型至关重要。在此阶段之前反馈热结果，就更有可能在封装选择标准过程中考虑热性能。某些集成电路 (IC) 提供多种封装样式， 但从热角度看，并非所有封装样式的性能都一样好。因此，如果选择了适当的封装，后期可能不需要使用散热器。

 

元器件温度（壳温或结温，取决于制造商如何指定元器件规格）是表明设计在热方面是否合格的关键指标。然而，在此阶段，我们只能获得元器件温度的粗略估算值。

 

如果缺少其他信息，能派上用场的简单三维元器件模型是导热块。Simcenter Flotherm软件的材料属性经过定制，针对不同封装样式产生不同的预计壳温。

 

图 1：Simcenter Flotherm 中的集总封装材料。

 

塑封元器件建议使用 5Wm^-1K^-1 至 10Wm^-1K^-1的热导率，陶瓷元器件建议使用15Wm^-1K^-1。5Wm^-1K^-1显然对应最坏情况下的壳温数值。

 

以三维方式表示封装主体后，相关人员便可考虑元器件对局部气流以及任何下游元器件的影响。较大元器件会阻挡冷却空气流动到较小、较低的元器件；元器件背后的尾流区是同样的空气不断循环流动的区域，因而该区域中所有元器件的温度可能都很高。建议将所有矩形元器件对齐，使其长边与主要气体流动方向平行。这不仅会降低总体压降（因为气流遇到的阻碍更少），而且会缩小尾流区，尽可能减少对下游元器件的影响。

 

4: 反馈热结果

 

在这一阶段，您可以开始将有关PCB性能的信息反馈给PCB设计团队。虽然这个阶段的仿真相对粗糙，但主要仿真结果（即电路板上的气流分布和相应的板温图）极具参考价值，您可以借此显示如何处理可用的冷却空气，以及对元器件温度可能造成的影响。

 

必须强调的是，这些标称元器件壳温值会发生变化，因为它们基于以下条件：

• 假定的布局

• 粗略的功率估算

• 封装选择的不确定性

• PCB 中未知的叠层和铜层分布

• 散热器初步尺寸和设计（若已经知道是必需的）

 

但即便如此，它仍然是一个有用的起点，既有助于了解系统性能，又提供了一个可随着设计的展开不断进行优化的模型。这个模型带来了有效平台，可用于调查元器件布置对元器件及其相邻元器件的温度影响，从而据此结果轻松调整，而且模型的重新运行通常也只需要几分钟，而不是数小时。

 

结果会在一定程度上反映哪些元器件（若有）可能需要某种形式的散热器，接下来可以对此进行研究。另外，一旦获知关于封装选择的更多信息，有些元器件的模型可能需要进一步优化，因此这种试验有助于了解在开发热模型时应优先关注哪些方面。

 

5: 尽早确定散热器尺寸

 

对于任何可能过热的元器件，都应当研究能否通过散热器来有效地降低元器件温度。如果气流方向主要与封装的一侧垂直，则板型（或挤压）鳍片散热器可能更合适。否则，应当考虑柱状鳍片散热器。

 

Simcenter Flotherm和 Simcenter Flotherm XT提供了散热器SmartPart，可用于通过参数定义散热器几何形状。首先将散热器的基座尺寸设为与封装相同，然后研究不同的鳍片数量、鳍片高度和厚度的散热效果。此举是为了确定能否将散热器简单地安装在封装顶部，或者 是否需要更大的散热器。对于后一种情况，我们还要了解用于机械安装的电路板基板面（参见图2），因为此信息需要尽早反馈给PCB设计团队。若如此，则必须选择一个能提供充分散热的现有散热器，或者在电路板布线之前设计一个定制散热器，因为散热器的机械安装 可能会影响元器件布置。

 

散热器本质上是面积扩展装置，旨在扩大空气流通的表面来增加与空气的对流热传递。散热器一般由铝合金制成，以便热量能够有效扩散到整个基座并达到鳍片。基座充当散热器，有助于降低元器件温度。首先使用较短且间距较宽的鳍片，以便尽可能减少对气流的阻碍以及散热器引起的尾流，进而降低对下游元器件散热的影响。

 

图 2：延伸到封装主体之外且带有定位销的散热器。

 

如果结果表明，元器件可以利用安装于自身的相对较小的散热器来散热，这项活动就可以到此为止，但后期还需要重新审视。

 

使用散热器时，必须考虑封装与散热器之间的热学界面材料 (TIM) 的热阻。最终选择取决于很多因素，但在设计早期中，使用厚度约 0.2mm（毫米）、热导率约1.0Wm^-1K^-1的标准导热垫是比较保险的选择。

 

6: 精确表示元器件

 

反馈信息给PCB设计团队以帮助其选择和布置元器件之后，还可以指导其使用密切相关的热指标来比较候选元器件的热性能。

 

对于没有散热器的组件，可用于比较的密切相关的热指标是联接对电路板电阻。对于预计有散热器的组件，联接对电路板电阻相关度较高，因为电阻通常是针对与散热器的接触面而定义的。对于晶体管轮廓 (TO) 型封装，该接触面通常是焊接在PCB 上。若这两个指标均可用，则可以按电子元件工业联合会 (JEDEC) 标准创建一个双热阻模型（参见图3），并重新运行热模型以获得第一个结温估算值。

 

在预测精度方面，再上一个级别则是 DELPHI模型。相较于双电阻模型，DELPHI模型更适用于散热器，因为顶面分为不同温度的内部和外部区域，可用来初步研究散热器底座厚度的影响。然而，对于需要散热器且热特性较为关键的封装，建议使用详细模型。

 

图 3：用于设计的封装热信息的保真度层级。

 

此外，建议在互联网上搜索元器件产品说明，看看是否有任何可用的Simcenter Flotherm 模型；若没有，可向供应商申请 Simcenter Flotherm模型。有时候，获得这些模型需要遵守保密协议 (NDA)。Simcenter Flotherm作为广泛使用的电子散热计算流体力学 (CFD) 软件，许多领先的IC封装供应商都可为其提供热模型。这也是 Simcenter Flotherm PACK 真正体现其价值的地方。大约70%的Simcenter Flotherm PACK用户是系统集成商，他们只需要知道封装样式、主体尺寸和引线数量，就能利用 Simcenter Flotherm PACK的JEDEC封 装向导生成有代表性的封装热模型。Simcenter Flotherm PACK 还为您提供了所有输入数据的完全访问权，因此，只要获得关于封装的更多信息，就能立即更新模型，并生成双热阻模型、DELPHI模型和详细模型。因此，随着设计的展开，您可以轻松地优化元器件热模型。

 

7: 不要忽略电路板细节

 

一旦获得元器件封装和热源估算信息，并将元器件作为三维导热块建模，就可以开始研究结果对电路板热导率的敏感度。因此，这项活动可以而且确实应当与元器件模型优化同时进行。

 

在实际应用中，PCB热导率并不存在单一值。PCB由铜和介电材料组成，并且铜的导热性能高出大约1,000倍，因此，电介质在各层之间和各条走线之间形成了热隔离。在对电路板进行布线之前的早期设计中，可使用浮动变化固定在一定范围内（比如 5Wm^-1K^-1到 15 Wm^-1K^-1）的简单各向同性热导率值来了解 PCB 热性能对仿真结果有多大影响。在深化设计期间，需要对电路板的这一热表示加以改进。

 

一旦大致确定布置，PCB 设计团队的下一步工作便是原理图捕捉和电气仿真（例如时序）。在获得原理图之后、电路板布线之前可以获得的有用信息是电路板叠层。

 

务必估算电路板可能会有多少信号层和电源/接地层。PCB 表面上的走线会在局部将热量从封装互连（引线或焊球）扩散出去，而埋入的电源和接地层则会在宏观上提高层内热导率。

 

从热角度看，这些含铜层对PCB性能的贡献受其厚度影响。常见的厚度是0.50盎司(Oz) 或 1.0Oz铜。Oz表示以盎司为单位均匀分布在一平方英尺面积上的铜的重量。1Oz等于1.37mil（千分之一英寸）或0.0347mm。

 

一旦获得PCB中各类型（信号或电源/ 接地）的层数估算值，便可升级PCB模型以包括上述各个层。布线之前，需要估算各个非介电层的覆铜厚度和百分比。电源和接地层应使用 1Oz 厚度，走线层应使用 0.5Oz 厚度，覆铜百分比分别假定为 80%和20%。电介质对面积平均热导率（包括层内和层间）几乎无影响，因此可以认为这些层的热导率分别为铜热导率的80%和20%。

 

介电层的下限厚度取决于任一面上为补偿热膨胀系数差异而需要的铜厚度，然后便可计算板的总厚度。

 

对于小型、大功率、低引脚数的封装，电路板上走线的长度尺度在数量级方面与封装类似，因此在电子设计自动化 (EDA) 系统提供这些信息之前，有必要在与封装类似的几何细节级别上对这些特性进行建模。例如，在对封装进行详细建模时，代表TO封装上所焊接的铜垫，以及封装上的局部走线。对焊盘下方用来将热量导向埋入接地层的所有热过孔进行建模时，也应采取类似的做法。

 

8: 从 EDA 系统导入数据

 

Simcenter Flotherm和 Simcenter Flotherm XT 具有全面的EDA接口功能，以便从所有主要EDA 系统导入数据，包括：SPADS^TM软件、Boardstation^TM软件、Xpedition^TM软件、Cadence Allegro和Zuken CR5000。

 

从 EDA系统导入元器件布置数据可确保热设计工具内的布置正确；布局一旦有变化，即应重新导入。利用 Simcenter Flotherm XT 的 FloEDA Bridge 软件，一键即可重新导入 PCB 设计数据更新，关于用户如何筛选此数据的所有现有设置都会保留。

 

详细PCB建模涉及从EDA系统导入叠层、走线层布线、过孔分布以及电源和接地层上的铜皮形状。

 

9: 在设计流程中提前考虑 PCB 热设计

 

本着持续改进的精神，应当努力在下一个项目的设计流程中将热设计提前。

 

在某种程度上，这将使机械角度的热设计与电气角度的 热设计同步进行。顺利的话，这两种方法可相辅相成，使 得热设计完成得更快、更可靠，结果也会优于分步进行 热设计的情形。关键是不同专业对各流程可以且应当完 成哪些工作达成共识，这也正是本文的意图。

 

10: 与 EDA 流程协同设计

 

最终目标是与 EDA 流程协同进行热设计。近年来，PCB 走线的电流密度和电源平面层上不同区域之间的直通颈缩不断增加，使得焦耳（或欧姆）加热成为 PCB 设计中一个越来越严重的问题，对电路板的电气性能和热性能都有影响。为了帮助电子设计人员应对这个 问题，西门子在布局和布线工具集之外推出了HyperLynxTM Thermal和HyperLynx PI软件（用于电源 完整性）等精密分析工具。

 

除了有源元器件耗散的热量之外，焦耳加热会在PCB中产生额外的热源。Simcenter Flotherm可用于逐层导入详细的热源图并叠加到 PCB 的详细模型上，从而正确地计入这种热源。

 

Simcenter Flotherm等CFD软件可以极为精确地表示PCB的对流散热以及与周围物体的辐射热交换。结束整个系统的热设计之前，建议将 PCB中焦耳加热所产生的热源从 HyperLynx PI导入Simcenter Flotherm或Simcenter Flotherm XT。

 

 

图 4：设计期间的 CFD 结果与利用红外摄像机测量的实际 PCB 的对比

 

结语

 

本白皮书概要介绍了 PCB 热设计的重要考虑事项， 但并非面面俱到。如果您负责 PCB 级别热设计，想了解Simcenter热设计软件如何能够帮助您，以及什么产品适合您，敬请联系上海坤道SimuCAD。