“盡早開始並從簡單的做起”
，這(zhe)是(shi)金(jin)科(ke)玉(yu)律(lv)。負(fu)責(ze)產(chan)品(pin)熱(re)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)機(ji)械(xie)工(gong)程(cheng)師(shi)應(ying)當(dang)向(xiang)電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)盡(jin)可(ke)能(neng)多(duo)的(de)有(you)用(yong)反(fan)饋(kui)，以(yi)便(bian)指(zhi)導(dao)設(she)計(ji)，優(you)化(hua)其(qi)所(suo)做(zuo)選(xuan)擇(ze)的(de)熱(re)影(ying)響(xiang)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)早(zao)期(qi)設(she)計(ji)中(zhong)。從(cong)機(ji)械(xie)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)角(jiao)度(du)看(kan)，在(zai)PCB層ceng次ci
，這zhe意yi味wei著zhe幫bang助zhu選xuan擇ze封feng裝zhuang和he最zui佳jia元yuan器qi件jian位wei置zhi

，以yi利li用yong係xi統tong氣qi流liu進jin行xing散san熱re。當dang然ran
，布bu局ju和he封feng裝zhuang選xuan擇ze主zhu要yao取qu決jue於yu電dian子zi性xing能neng與yu成cheng本ben考kao慮lv，但dan是shi，應ying當dang盡jin可ke能neng弄nong清qing這zhe些xie選xuan擇ze會hui給gei熱re性xing能neng帶dai來lai怎zen樣yang的de後hou果guo，因yin為wei溫wen度du和he散san熱re同tong樣yang會hui影ying響xiang性xing能neng與yu成cheng本ben。

 

 

在zai電dian子zi設she計ji流liu程cheng中zhong，完wan成cheng布bu局ju之zhi前qian有you大da量liang工gong作zuo可ke以yi做zuo。事shi實shi上shang
，在zai此ci之zhi前qian，就jiu需xu要yao將jiang熱re考kao慮lv對dui設she計ji的de影ying響xiang計ji算suan在zai內nei。利li用yong外wai殼ke的de簡jian單dan表biao示shi就jiu可ke以yi完wan成cheng大da量liang工gong作zuo，提ti供gong有you關guan電dian路lu板ban上shang氣qi流liu分fen布bu的de信xin息xi。

 

首shou先xian可ke以yi簡jian單dan地di將jiang電dian路lu板ban的de總zong功gong率lv分fen配pei到dao電dian路lu板ban的de整zheng個ge表biao麵mian。由you此ci將jiang獲huo得de一yi幅fu溫wen度du圖tu，它ta會hui指zhi示shi出chu任ren何he因yin為wei氣qi流liu分fen布bu不bu當dang而er引yin起qi的de高gao溫wen區qu域yu，外wai殼ke級ji氣qi流liu應ying當dang在zaiPCB設計之前進行優化。對此，您可以將板視作一個具有 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：yuanqijianhuijubuxingdijiangreliangzhurudianlubanzhong
，yinciyuanqijianxiafangdedianlubanzhongderetongliangmiduhuigaoyudianlubandepingjunzhi。yushi，jububanwenhuigaoyufangzhenyucezhi，yincibuyingshiyongzheyijieduandechudebanwenlaigusuanyuanqijianwendu。yaogusuanyuanqijianwendu，bixuyouhuamoxing。

 

如(ru)果(guo)任(ren)一(yi)點(dian)的(de)板(ban)溫(wen)接(jie)近(jin)元(yuan)器(qi)件(jian)外(wai)殼(ke)最(zui)高(gao)溫(wen)度(du)，那(na)麼(me)一(yi)旦(dan)用(yong)離(li)散(san)方(fang)式(shi)表(biao)示(shi)元(yuan)器(qi)件(jian)熱(re)源(yuan)

，就(jiu)極(ji)有(you)可(ke)能(neng)超(chao)過(guo)此(ci)限(xian)值(zhi)。例(li)如(ru)，若(ruo)已(yi)知(zhi)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)元(yuan)器(qi)件(jian)需(xu)要(yao)散(san)熱(re)器(qi)，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)就(jiu)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)。

 

 

weici，duiyushejizhongjianghuishiyongdezhuyaosanreyuanqijian，bixuzhidaoqigonglvyusuandezuijiacaicezhi

，yijiqifengzhuangdedazhichicun，zheyidianfeichangzhongyao。zheyangninjiukeyizaifangzhenzhongjiangqimiaoshuweifengzhuangreyuan，bingbaqiyureliangjunyunfenpeidaodianlubanbiaomian。

 

在研究和選擇元件（於項目原理圖捕捉階段開始時進行）之前，係統架構師對元器件已經有所了解，比如：需要哪些關鍵元器件
、哪些元器件需要靠近放置

、元器件尺寸會是多少等。例如，係統架構師可能打算使用為另一個產品選擇的一些元器件
，或者繼續使用上一代產品所用的元器件。

 

 

盡jin管guan比bi較jiao困kun難nan，但dan在zai最zui終zhong選xuan定ding元yuan器qi件jian之zhi前qian，嚐chang試shi在zai仿fang真zhen中zhong包bao含han某mou種zhong形xing式shi的de三san維wei元yuan器qi件jian模mo型xing是shi很hen重zhong要yao的de。通tong過guo在zai到dao達da這zhe一yi階jie段duan之zhi前qian反fan饋kui熱re結jie果guo，可ke以yi增zeng加jia將jiang熱re性xing能neng作zuo為wei封feng裝zhuang選xuan擇ze標biao準zhun的de一yi部bu分fen加jia以yi考kao慮lv的de機ji會hui。某mou些xie IC 提供多種封裝樣式，但從熱角度看，並非所有封裝樣式的性能都一樣好。因此
，通過選擇適當的封裝，後期可能不需要使用散熱器。

 

元器件溫度（殼溫或結溫，取決於製造商如何指定元器件規格），是表明設計在熱方麵是否合格的關鍵指標。然而，在此階段，我們隻能獲得元器件溫度的粗略估算值。

 

在沒有任何其他信息的情況下，可以使用的最簡單的三維元器件模型是導熱塊。FloTHERM 包括定製的材料屬性
，用以得出不同封裝樣式的預計殼溫。

 

圖 1：FloTHERM 中的集總封裝資料

 

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。

 

通過以三維方式表示封裝主體，便可考慮元器件對局部氣流以及任何下遊元器件的影響。較大元器件會阻擋冷卻空氣流動到較小、較低的元器件
；yuanqijianbeihoudeweiliuqushitongyangdekongqibuduanxunhuanliudongdequyu，yinergaiquyuzhongdesuoyouyuanqijiankenengdouhenre。yigeguanyongdetishishijiangsuoyoujuxingyuanqijianduiqi，shiqichangbianyuzhuyaoqitiliudongfangxiangpingxing。zhebujinhuijiangdizongtiyajiang（因為氣流遇到的阻礙更少），而且會縮小尾流區，使其對下遊元器件的影響減至最小。

 

 

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）是非常強大的工具
，您可以利用它來顯示必須處理的可用冷卻空氣情況
，以及對元器件溫度可能造成的影響。

 

值得強調的是，這些標稱元器件殼溫值會發生變化，因為它們是基於以下條件：

 

1.假定的布局

2.非常粗略的功率估算

3.封裝選擇的不確定性

4.PCB 中未知的疊層和銅層分布

5.散熱器初步尺寸和設計（若已經知道是必需的）

 

但(dan)即(ji)便(bian)如(ru)此(ci)，它(ta)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)有(you)用(yong)的(de)起(qi)點(dian)，既(ji)有(you)助(zhu)於(yu)了(le)解(jie)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)
，又(you)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)可(ke)隨(sui)著(zhe)設(she)計(ji)的(de)展(zhan)開(kai)不(bu)斷(duan)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)的(de)模(mo)型(xing)。該(gai)模(mo)型(xing)為(wei)研(yan)究(jiu)元(yuan)器(qi)件(jian)布(bu)置(zhi)對(dui)元(yuan)器(qi)件(jian)及(ji)其(qi)相(xiang)鄰(lin)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)影(ying)響(xiang)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)的(de)平(ping)台(tai)，藉(ji)此(ci)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)完(wan)成(cheng)調(tiao)整(zheng)
，模(mo)型(xing)的(de)重(zhong)新(xin)運(yun)行(xing)通(tong)常(chang)也(ye)隻(zhi)需(xu)要(yao)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)
，而(er)不(bu)是(shi)數(shu)小(xiao)時(shi)。

 

結果會在一定程度上反映哪些元器件（若有）kenengxuyaomouzhongxingshidesanreqi
，jiexialaikeyiduicijinxingyanjiu。lingwai
，yidanhuozhiguanyufengzhuangxuanzedegengduoxinxi
，youxieyuanqijiandemoxingkenengxuyaojinyibuyouhua，yincizhezhonglianxiyouzhuyuzaikaifaremoxingshianpaiyingzainaxiefangmianyouxiantourujingli。

 

 

對於任何可能過熱的元器件，都應當研究能否通過使用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）鰭片散熱器可能最合適。否則，應當考慮釘狀鰭片散熱器。

 

FloTHERM 和 FloTHERM XT 提供了散熱器 SmartPart，可利用它以參數方式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，然後研究不同的鰭片數量、鰭qi片pian高gao度du和he厚hou度du的de散san熱re效xiao果guo。這zhe樣yang做zuo的de目mu的de是shi確que定ding能neng否fou將jiang散san熱re器qi簡jian單dan地di安an裝zhuang在zai封feng裝zhuang頂ding部bu，或huo者zhe是shi否fou需xu要yao更geng大da的de散san熱re器qi。對dui於yu後hou一yi種zhong情qing況kuang
，將jiang需xu要yao知zhi道dao用yong於yu機ji械xie安an裝zhuang的de電dian路lu板ban基ji板ban麵mian（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製散熱器
，因為散熱

器的機械安裝可能會影響元器件布置。

 

sanreqibenzhishangshimianjikuozhanzhuangzhi，tongguotigonggengdadebiaomianjigongkongqiliuguo
，laizengjiayukongqideduiliurechuandi。sanreqiyibanyoulvhejinzhicheng，yibianreliangnenggouyouxiaokuosandaozhenggejizuobingdadaoqipian。jizuobenshenchongdangsanreqi，yinciyouzhuyujiangdiyuanqijianwendu。shouxianshiyongjiaoduanqiejianjujiaokuandeqipian
，yibianzuidaxiandujianshaoduiqiliudezuaiyijisanreqiyinqideweiliu
，jinerjiangdiduixiayouyuanqijiansanredeyingxiang。

 

圖 2：延伸到封裝主體之外且帶有定位銷的散熱器

 

如果結果表明
，元器件可以利用安裝於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，但後期還需要重新審視。

 

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

 

 

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

 

對於沒有散熱器的元器件，用來比較的相關度最高的熱指標是結-電路板熱阻。對於預期會安裝散熱器的元器件，相關度最高的指標是結-殼熱阻，因為該熱阻通常是針對與散熱器接觸的表麵定義的。對於 TO 型封裝，該表麵一般焊接到 PCB。若這兩個指標均可用，則可以創建一個JEDEC 標準的雙熱阻模型（參見圖 3），並重新運行熱模型以獲得第一個結溫估算值。

 

圖 3：用於設計的封裝熱信息的保真度層級

 

預測精度更高一級的模型是 DELPHI 模型。對於散熱器選擇
，DELPHI 模mo型xing優you於yu雙shuang熱re阻zu模mo型xing的de地di方fang在zai於yu，前qian者zhe的de上shang表biao麵mian細xi分fen為wei溫wen度du不bu同tong的de內nei部bu區qu域yu和he外wai部bu區qu域yu，因yin而er可ke用yong來lai初chu步bu研yan究jiu散san熱re器qi基ji座zuo厚hou度du的de影ying響xiang。然ran而er，對dui於yu需xu要yao散san熱re器qi且qie熱re特te性xing極ji為wei關guan鍵jian的de封feng裝zhuang，建jian議yi使shi用yong詳xiang細xi模mo型xing。

 

此外，最好在互聯網上搜索元器件產品說明
，看看是否有任何可用的 FloTHERM 模型；若沒有
，可向供應商申請 FloTHERM 模型。有時候
，獲得這些模型需要遵守保密協議 (NDA)。FloTHERM 作為使用最廣泛的電子散熱 CFD 軟件
，許多領先的 IC 封裝供應商都為其提供熱模型。這也是 FloTHERM PACK 真正體現其價值的地方。大約 70% 的 FloTHERM PACK 用戶是係統集成商，他們隻需要知道封裝樣式、主體尺寸和引線數量，就能利用 FloTHERM PACK 的 JEDEC 封裝向導生成有代表性的封裝熱模型。FloTHERM PACK還為您提供了所有輸入數據的完全訪問權，因此，隻要獲得關於封裝的更多信息，您就能立即更新模型，並生成雙熱阻模型、DELPHI 模型 [6] 和詳細模型。因此，隨著設計的展開
，您可以輕鬆地優化元器件熱模型。

 

 

一(yi)旦(dan)獲(huo)得(de)元(yuan)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)和(he)熱(re)源(yuan)估(gu)算(suan)信(xin)息(xi)，並(bing)將(jiang)元(yuan)器(qi)件(jian)作(zuo)為(wei)三(san)維(wei)導(dao)熱(re)塊(kuai)建(jian)模(mo)，就(jiu)可(ke)以(yi)開(kai)始(shi)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)對(dui)電(dian)路(lu)板(ban)熱(re)導(dao)率(lv)的(de)敏(min)感(gan)度(du)。因(yin)此(ci)，這(zhe)項(xiang)活(huo)動(dong)可(ke)以(yi)而(er)且(qie)確(que)實(shi)應(ying)當(dang)與(yu)元(yuan)器(qi)件(jian)模(mo)型(xing)優(you)化(hua)同(tong)時(shi)進(jin)行(xing)。

 

在實際應用中，PCB 熱導率並不存在單一值。PCB 由銅和介電材料組成
，並且銅的導熱性能高出大約1000倍(bei)，因(yin)此(ci)，電(dian)介(jie)質(zhi)在(zai)各(ge)層(ceng)之(zhi)間(jian)和(he)各(ge)條(tiao)走(zou)線(xian)之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)了(le)熱(re)隔(ge)離(li)。在(zai)對(dui)電(dian)路(lu)板(ban)進(jin)行(xing)布(bu)線(xian)之(zhi)前(qian)的(de)早(zao)期(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)並(bing)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)（比如 5Wm-1K-1 到 15Wm-1K-1）變化的各向同性熱導率值
，來了解 PCB 熱性能對仿真結果有多大影響。在詳細設計期間
，需要對電路板的這一熱表示加以改進。

 

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）。在原理圖捕捉之後、電路板布線之前可以獲得的最有用的信息是電路板疊層。

 

估算電路板可能會有多少信號層和電源／接地層很重要。PCB 表麵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。最常見的厚度是 0.5 Oz 或 1.0 Oz 銅。“1 Oz” 表示將 1 盎司的銅平鋪到 1 平方英尺麵積上所形成的厚度 [參考文獻 7]，相當於 1.37 密耳（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 1 Oz 厚度，走線層應使用0.5 Oz 厚度，覆銅百分比分別假定為 80% 和 20%。電介質對麵積平均熱導率（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%。

 

介電層的最小厚度取決於任一麵上為補償熱膨脹係數差異而需要的銅厚度
，然後便可計算板的總厚度。

 

對於小型
、高功率、管腳數較少的封裝，電路板上走線的長度規模與封裝的數量級相似。因此
，在 EDA係統提供該信息之前，必須采用與封裝相似的詳細程度對這些特征進行建模。例如
，在對封裝進行詳細建模後，應當表示出焊接 TO 封裝的銅焊盤以及封裝的局部走線。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。

 

 

FloTHERM 和 FloTHERM XT 具有全麵的 EDA 接口功能，以便從所有主要 EDA 係統導入數據

，包括：MentorPADS、Mentor Boardstation、Mentor Xpedition Enterprise、Cadence Allegro 和 Zuken CR5000。

 

從 EDA 係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 FloTHERM XT 的 FloEDA Bridge 模塊，一鍵即可重新導入 PCB 設計數據更新
，關於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 係統導入疊層、走線層布線、過孔分布以及電源和接地層上的銅皮形狀。

 

 

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考慮前移。

 

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
、更為可靠
，結果也會優於分布進行熱設計的情形。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。

 

 

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麵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，Mentor Graphics 在布局和布線工具集之外推出了 HyperLynx Thermal 和 HyperLynx PI（用於電源完整性）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 本身中產生額外的熱源。FloTHERM 可以逐層導入詳細的熱源圖並疊加到 PCB 的詳細模型上，從而正確地計入這種熱源。

 

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。結束整個係統的熱設計之前
，建議將 PCB 中焦耳加熱所產生的熱源從 HyperLynx PI 導入 FloTHERM 或 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