PCB热分析工具提高可靠性

2023年3月31日

关键的外卖

构建热等效电路作为热分析方法的基线。
一看一些数学背后的热传递和为什么它喜欢自己的计算方法。
现代计算机如何利用分治系统来改进热分析。

TO-220包装的上下图

PCB热分析工具是电磁学和热力学相互作用的自然产物

热和电紧密地交织在一起。无论是电炉还是TO-220上的热标签，大多数设计师都有这种合作关系的第一手经验(有时是痛苦的无意)。这种共享特性在热电效应中更为明显:通过热电偶支持电压和温度之间的直接转换。电和热参数之间的联系意味着积极主动的电路板设计需要安抚两者的长期功能。大量的PCB热分析工具可供设计人员使用，范围从有用的近似到复杂的模拟．

热等效电路:PCB热分析工具的起点

PCB热分析工具的基础是等效热电路。很明显，大多数设计师可以通过运行复杂的建模软件来更好地利用他们的时间，而不是诉诸于纸和笔。此外，热系统和电系统之间的转换不是1:1。不过，它也有优点:等效热回路可以快速估算设计中的热流。它可以加强对特定特征如何以及为什么导致较差或优秀的热管理的理解。

类似地,

电路	热当量
当前的	热流
电压降	结温
电阻	热阻
电容	热容

有了这些，一些最基本的电路方程可以适用于热设置，如欧姆定律。单个元件，如并联和串联网络中的电阻，在总和中也相同地工作。在元件级别，温度/热阻被分解为七个感兴趣的值:

结温度,或者晶体管的温度。产生热量的点，因此是某一特定部件的最高温度。
从结到壳的电阻。
情况下温度。
从机箱到散热器的电阻。
散热器温度关于散热器，它通过各种方式(更导热的材料，更大的表面积，流向气流/对流等)促进热量从部件中流出。
从散热片到周围环境的电阻。
环境温度从电位差的角度来看，这可以被认为是一个热地。

元件的广义热串联电阻和温度降

排除高速走线或大电流铜注入，组件可能是电路板的主要发热源。然而，当涉及到去除热量时，组件的路径只是战斗的一半。它仍然必须从源头运输，无论是通过被动还是主动冷却方法来消散积聚。一个适当的热布局将适应这种流动，一个适当大小的着陆垫，以适应大的热流。如果空间允许，一个很好的经验法则是:将热垫设置为粘接平面的最大尺寸，使用内层平面浇注，以最大限度地扩大热量传播的传导面积，并使用热通孔，以促进热量从着陆垫到平面浇注。镀铜层的厚度也会对其热沉能力产生影响。

热传导模式及其数学的快速处理

另外，热分析可以依靠计算机建模来提供更准确和更快的诊断单板的热性能．我们必须了解热量有三种传递方式:

传导,由于热激发粒子与附近粒子的振动和碰撞，热量在整个物体中传播。支撑机制可以是流体中的弹性冲击、导体中的自由电子扩散和绝缘子中的声子点阵振动。
对流,它结合了传导和平流，或通过大块流体流动的热量传输。通常流体中主要的传热机制。
辐射热辐射是电磁辐射的一个子集(进一步强调了它们的关系)，当被激发的粒子发射能量以返回到更低、更稳定的能量状态时发生。

请注意，仅仅导电并不能冷却电路板，它只是将热量从较高的集中区域分配到较低的集中区域(假设被动传导)。对流和辐射需要从板上去除热量。一个粗略的传导方法在上面的等效热电路部分中概述，但它是缺乏的，因为它在一维中坍缩了一个三维空间问题。热方程:

热方程跟踪n维温度扩散系数的独立曲率乘以各向同性材料的恒定热扩散

T为温度，T为时间，α为材料的热扩散系数，∇²是拉普拉斯算子，它查看n空间中每个维度的温度扩散(在本例中为3)。然而，在实际应用中，这个方程有两个普遍问题:

如果在短距离上进行多次测试，结果会更有意义，而不是在长距离上进行多次测试。
上述方程仅适用于各向同性材料或不表现出性质随方向性变化的材料。各向异性材料需要一种更细致和一般化的形式。

这两种情况都意味着徒手解决是徒劳的。数值丰富和复杂的解决方案依赖于有限元分析(FEA)的准确性和完成时间。看看其他形式的传热，对流无疑是最复杂的，因为它涉及流体力学，而辐射在计算上是最不密集的。然而，所有这三种传热模式是同时发生的——一个真正有代表性的处理需要结合所有三种，这是FEA可以从容处理的。

FEA, CFD和并行化如何推动热解决方案

虽然模拟是任何可察觉的严格的热分析的明确答案，但它也不是没有缺点。计算量如此丰富的问题甚至可以将尖端系统推向极限。最好的实现使用并行计算，可以通过两种方式实现:

细分计算跨多个核的多处理。
利用多台离散计算机有效地发挥多处理器的功能。

允许多种多处理设置，包括基于云的网络，提高了灵活性，减少了快速热分析工具的技术障碍。

复杂流体动力学(CFD)方程是一种完全独立于FEA的问题处理方法，但两者都可以协同改进热分析模拟。软件解决方案可以捕获三维板模型表面周围对流的传热系数，以改进二维和三维的传导有限元分析。

此外，大多数热分析倾向于评估短期而不是长期，理由是一个短期失败的董事会没有机会长期失败。然而，热是板的老化因素，在多次热循环或连续使用中积累的连续效应最终会导致材料失效。由于不同材料的热膨胀系数(CTE)不同，重复的膨胀和收缩最终会改变填充板的应力-应变矩阵，导致某些机械特征的失效点，如过孔和焊锡角。在较长时间内模拟热量积累/循环的效果可以让设计师在进入生产前纠正严重的错误。