“盡早開始並從簡單的做起”，zheshijinkeyulv。fuzechanpinrewanzhengxingdejixiegongchengshiyingdangxiangdianzigongchengshitigongjinkenengduodeyouyongfankui，yibianzhidaosheji

，youhuaqisuozuoxuanzedereyingxiang
，youqishizaizaoqishejizhong。congjixiegongchengshidejiaodukan，zaiPCB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)。

 

 

zaidianzishejiliuchengzhong，wanchengbujuzhiqianyoudalianggongzuokeyizuo。shishishang，zaicizhiqian，jiuxuyaojiangrekaolvduishejideyingxiangjisuanzainei。liyongwaikedejiandanbiaoshijiukeyiwanchengdalianggongzuo，tigongyouguandianlubanshangqiliufenbudexinxi。

 

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(zai)PCB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：元yuan器qi件jian會hui局ju部bu性xing地di將jiang熱re量liang注zhu入ru電dian路lu板ban中zhong，因yin此ci元yuan器qi件jian下xia方fang的de電dian路lu板ban中zhong的de熱re通tong量liang密mi度du會hui高gao於yu電dian路lu板ban的de平ping均jun值zhi。於yu是shi，局ju部bu板ban溫wen會hui高gao於yu仿fang真zhen預yu測ce值zhi，因yin此ci不bu應ying使shi用yong這zhe一yi階jie段duan得de出chu的de板ban溫wen來lai估gu算suan元yuan器qi件jian溫wen度du。要yao估gu算suan元yuan器qi件jian溫wen度du
，必bi須xu優you化hua模mo型xing。

 

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。

 

 

為(wei)此(ci)，對(dui)於(yu)設(she)計(ji)中(zhong)將(jiang)會(hui)使(shi)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)散(san)熱(re)元(yuan)器(qi)件(jian)
，必(bi)須(xu)知(zhi)道(dao)其(qi)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)的(de)最(zui)佳(jia)猜(cai)測(ce)值(zhi)，以(yi)及(ji)其(qi)封(feng)裝(zhuang)的(de)大(da)致(zhi)尺(chi)寸(cun)

，這(zhe)一(yi)點(dian)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。這(zhe)樣(yang)您(nin)就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)仿(fang)真(zhen)中(zhong)將(jiang)其(qi)描(miao)述(shu)為(wei)封(feng)裝(zhuang)熱(re)源(yuan)
，並(bing)把(ba)其(qi)餘(yu)熱(re)量(liang)均(jun)勻(yun)分(fen)配(pei)到(dao)電(dian)路(lu)板(ban)表(biao)麵(mian)。

 

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）可ke能neng需xu要yao某mou種zhong形xing式shi的de散san熱re器qi，接jie下xia來lai可ke以yi對dui此ci進jin行xing研yan究jiu。另ling外wai
，一yi旦dan獲huo知zhi關guan於yu封feng裝zhuang選xuan擇ze的de更geng多duo信xin息xi，有you些xie元yuan器qi件jian的de模mo型xing可ke能neng需xu要yao進jin一yi步bu優you化hua，因yin此ci這zhe種zhong練lian習xi有you助zhu於yu在zai開kai發fa熱re模mo型xing時shi安an排pai應ying在zai哪na些xie方fang麵mian優you先xian投tou入ru精jing力li。

 

 

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
、qipiangaoduhehoududesanrexiaoguo。zheyangzuodemudeshiquedingnengfoujiangsanreqijiandandianzhuangzaifengzhuangdingbu，huozheshifouxuyaogengdadesanreqi。duiyuhouyizhongqingkuang，jiangxuyaozhidaoyongyujixieanzhuangdedianlubanjibanmian（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