PCB热分析工具提高可靠性

2023年3月31日

关键的外卖

构造热等效电路作为热分析的基本方法。
看看背后的一些数学热转移和为什么它可爱的计算方法。
现代计算机如何利用分治法系统热分析改进。

照片- 220包的顶部和底部

PCB热分析工具是一种自然产物之间相互作用的电磁和热力学

热能和电能紧密地交织在一起。是否它是一个电炉或热选项卡- 220,大多数设计师有第一手经验与这种伙伴关系(有时是痛苦的意外)。共享自然与热电效应更加明显:之间的直接转换电压和温度通过热电偶的支持。电力和热力参数之间的联系意味着主动板设计需要安抚两个长期功能。丰富的PCB热分析工具可用于设计师,从有用的近似复杂的模拟。

热等效电路:PCB热分析工具的一个起点

的基础等效热电路PCB热分析工具。这些显而易见的大多数设计师可以更好地利用他们的时间通过运行复杂的建模软件比诉诸纸和笔。此外,热系统和电子之间的翻译不是1:1。仍然有优点:一个等效热电路可以提供一个快速估算的热流的设计。它可以加强理解如何以及为什么特定的特性导致贫穷或优秀的热管理。

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

与这些,一些最基本的电路方程可以适应热环境中,如欧姆定律。单个元素,如并联电阻和系列网络,也在求和操作相同。在组件级别,温度/热阻是分解成七个值感兴趣的:

结温度,或在晶体管的温度。热的一代,因此一个特定组件的最高温度。
从结电阻情况。
情况下温度。
散热器阻力的情况下。
散热器温度散热器,通过各种途径促进热流从组件(更多的导热材料,更大的表面积,定向气流/对流,等等)。
抵抗环境的散热器。
环境温度大致可以认为是热地面的电位差。

广义热组件串联电阻和温度下降

不含高速的痕迹或大电流铜倒,组件可能是主要的热生成板。然而,组件的路径只是成功的一半在去除热量。它仍然必须运输远离源,无论是通过被动或主动冷却方法来驱散积聚。适当的热布局将容纳这个流一个适当大小的停机坪,以适应大热通量。如果空间允许一个很好的经验法则:集热板焊接平面上最大尺寸,使用内层飞机倒热传播的导电区域最大化,并使用热通过促进传热从停机坪到飞机倒。镀铜的厚度也会扮演一个角色在其运动能力。

快速治疗热转移模式及其数学

另外,热分析可以依靠计算机建模提供更准确和更快的诊断热板的性能。必须明白,传热的三种模式:

传导,热扩散的整个身体由于thermally-excited粒子的振动和碰撞与附近的邻居。支持机制可以在流体弹性影响,导体中自由电子扩散,声子在绝缘体晶格振动。
对流,与平流传导相结合,或者通过体积流体传输的热量。通常占主导地位的流体传热机制。
辐射热是电磁辐射的一个子集(进一步凸显出他们之间的关系),发生在兴奋的粒子发射能量回到较低,更稳定的能量状态。

仅注意传导不酷,它只是分布从高到低热量集中区域(假设被动传导)。需要对流和辐射把热量从董事会。一个粗略的方法传导上面列出的等效热电路部分,但它缺乏,因为它倒塌在一维立体图的问题。热方程:

热方程跟踪开始独立温度曲率扩散系数乘以常数为各向同性材料热扩散

温度T, T是时间,材料的热扩散系数α,∇²是拉普拉斯算符,看着每个维度下的温度扩散(在这种情况下,三个)。然而,有两个一般问题为实际应用这个方程:

结果变得更有意义如果执行许多次短距离而不是少次更远的距离。
上述方程只适用于各向同性材料或材料不展览性质与方向的变化。各向异性材料需要一个更微妙的和广义形式。

这两个条件意味着解决手工是徒劳的。一个数值丰富而复杂的解决方案依赖于有限元分析(FEA)在精度和完成时间。看其他形式的传热、对流是最复杂的,因为它涉及到流体力学,而辐射计算是最敏感的。不过,所有这三种传热方式同时发生——一个真正代表治疗需要将这三者结合,有限元分析可以沉着处理。

有限元分析,计算流体动力学,并行推进热解决方案

在模拟热分析任何明显的严格明确的答案,但是它也存在它的缺点。问题这计算丰富甚至可以推动尖端系统限制。最好的实现利用并行计算,可以以两种方式实现:

细分计算多个核的多处理。
利用多个离散计算机有效地作为一个多处理器函数。

允许各种各样的多处理设置,包括基于云计算的网络、增加灵活性和降低技术壁垒快速热分析工具。

复杂的流体力学(CFD)方程是一个完全独立的治疗从有限元分析的问题,但都可以加强提高热分析模拟。软件解决方案可以捕捉周围的对流传热系数的表面3 d板模型改善传导在二维和三维有限元分析。

此外,大多数热分析倾向于评估短期与长期,推理是董事会失败短期长期没有失败的机会。热作为董事会衰老元素,然而,其连续的影响建立在许多热周期或连续使用最终将导致材料失效。由于不同的热膨胀系数(CTE)材料,重复扩张和收缩将最终改变的应力-应变矩阵填充板,导致失败的某些机械功能,如通过和焊料鱼片。模拟热积聚的影响/自行车长期为设计师提供了一个机会进入生产之前纠正严重错误。