您的電路板熱分析完整指南

2021-07-06

您的電路板熱分析完整指南

PCB 基板和銅導體的物理特性是決定電路板在運行過(guò)程中如何升溫的主要因素。電路板熱分析技術(shù)旨在預測電路板在運行過(guò)程中何時(shí)何地發(fā)熱，以及電路板將變得多熱。分析的這一重要部分旨在確保組件級和板級可靠性，它可以影響許多設計決策。

當您使用最好的印刷電路板設計軟件時(shí)，可以輕松設計出可靠性高、運行溫度低的電路板。Altium Designer 擁有最好的電路板設計工具以及完整的材料庫，以幫助確?？煽啃?。您將擁有在 PCB 布局和疊層中實(shí)施最佳熱管理實(shí)踐所需的一切。以下是您如何更好地理解電路板熱分析以及如何設計下一塊電路板以提高可靠性的方法。

統一的 PCB 設計包，將高級布局功能與全面的基板材料庫和生產(chǎn)規劃功能集成在一起。

電路板和組件中的材料將決定運行期間熱量如何在電路板上移動(dòng)。不幸的是，PCB 基板材料是絕緣體，可防止熱量從熱元件散發(fā)出去。銅導體和平面層會(huì )有所幫助，但有一些簡(jiǎn)單的設計選擇會(huì )影響電路板運行時(shí)的平衡溫度。這些設計決策集中在三個(gè)方面：

電路板疊層設計

基材選擇

組件選擇和布局

除了電風(fēng)扇和散熱器之類(lèi)的東西，其他一些簡(jiǎn)單的設計選擇可以幫助確保您的電路板在低溫下運行并且不會(huì )過(guò)早失效。使用正確的設計工具集，可以輕松實(shí)施一些熱管理最佳實(shí)踐。

使用熱分析設計電路板

電路板設計熱分析的目標是確定何時(shí)需要風(fēng)扇、散熱器、額外的銅或散熱孔等冷卻措施以將溫度保持在限制范圍內。設計人員需要為其電路板中的組件選擇最大可接受的溫度，然后檢查組件溫度將如何根據其耗散功率發(fā)生變化。如果組件溫度超過(guò)可接受的溫度限制，則可能需要額外的冷卻措施，如散熱器或風(fēng)扇。

首先，查看組件的熱阻抗，這通?？稍诩呻娐返慕M件數據表中找到。對于低功率放大器或 IC，該值可以低至 ~20 °C/W，對于功能強大的微處理器，該值可以高達 ~200 °C/W。要確定工作溫度，只需將組件的功耗乘以其熱阻即可。這在下面針對 SOT 封裝中的示例 MOSFET 進(jìn)行了定義。

根據其熱阻抗定義的組件溫度。

如果組件的溫度過(guò)高，設計人員可以采取一些步驟來(lái)散發(fā)組件的熱量，以降低 PCB 布局中組件的熱阻抗：

在組件下方添加帶有接地多邊形澆注的散熱孔

使用導熱系數更高的PCB基板材料

為組件添加散熱器

在元件下方包括更多的銅，例如平面層

使用風(fēng)扇確保冷空氣流過(guò)組件包

將電路板直接連接到具有熱界面材料的金屬外殼

無(wú)論您采用哪種方式，熱可靠性首先是使用最好的 PCB 設計軟件設計正確的 PCB 疊層。

從最佳 PCB 疊層設計開(kāi)始

在電路板布局中實(shí)施任何其他冷卻措施之前，請使用最好的 PCB 設計工具集來(lái)創(chuàng )建正確的疊層。Altium Designer 的層堆疊管理器讓您可以創(chuàng )建正確的銅平面層和層厚度排列，以確保 PCB 基板具有高導熱性。通孔可以在層堆疊管理器中定義，以跨越熱組件下方的電路板背面。PCB 設計的這些基本方面對幫助消除熱組件的熱量大有幫助。

Altium Designer 還允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)具有已知介電特性的常見(jiàn)疊層材料的 PCB 疊層材料庫。這使設計人員可以在他們的 PCB 設計軟件中完全控制他們的疊層設計，有助于高速電路板和電源系統的高電流電路板等應用。在 Altium Designer 中設計任何疊層并為您的電路板選擇任何材料。

您的基板材料將是可靠性的主要決定因素。具有高導熱性的合適材料有助于消除高功率組件的熱量，并有助于保持組件在低溫下運行。

陶瓷材料比標準 FR4 基材具有更高的導熱性，非常適合在高溫環(huán)境中使用。

無(wú)論您想為電路板基板使用哪種類(lèi)型的材料，您都需要最好的 PCB 層堆棧管理器來(lái)創(chuàng )建您的電路板疊層。

Altium Designer 中的疊層設計

PCB 的標準熱管理技術(shù)

定義疊層只是設計電路板的一個(gè)重要方面。一旦在您的 PCB 設計軟件中定義了疊層，您就可以開(kāi)始使用您的 PCB 布局工具來(lái)放置諸如地平面、覆銅、散熱器、冷卻風(fēng)扇和散熱孔之類(lèi)的東西。PCB 布局軟件中的 CAD 工具用于定義電路板中的這些功能。您的 PCB 庫還應連接到電子供應鏈，以便您訪(fǎng)問(wèn)風(fēng)扇和散熱器的 CAD 模型。這使得在電路板布局中查找、下載和放置熱管理所需的組件變得容易。

除了放置散熱孔、風(fēng)扇和散熱器等要點(diǎn)之外，由于 PCB 中銅導體的固有直流電阻，PCB 中每一層的平面和走線(xiàn)布置都會(huì )散發(fā)熱量。在確定 PCB 疊層中應如何使用銅時(shí)，直流仿真對于檢查 PDN 中的某些位置是否會(huì )出現熱點(diǎn)很重要/

使用直流電源完整性仿真來(lái)識別熱點(diǎn)

直流電源完整性模擬器可用于發(fā)現 PDN 中具有高電流密度的區域，這將導致更高的溫度。如果 PCB 中的這些熱區靠近熱組件，則可能需要一些額外的銅或散熱器來(lái)幫助保持較低的溫度。此外，可能需要重新設計 PDN 識別區域中的銅，以降低該區域的直流電阻。

作為有源組件被動(dòng)冷卻策略的一部分，應使用導熱墊或導熱膏將散熱器粘合到熱組件上，因為這將有助于有效地將熱量從組件中帶走。

PCB 中的每個(gè)有源組件都充當熱源，通過(guò)在封裝中和 PDN 中附近的銅中散發(fā)一些熱量。如果您有大量有源組件，那么您可能需要使用風(fēng)扇來(lái)冷卻您的組件。

Altium Designer 中的 PDN 分析器擴展易于訪(fǎng)問(wèn)和使用。此擴展程序將獲取您的 PCB 布局數據并為直流電源完整性創(chuàng )建高質(zhì)量的模擬。

直流電源完整性仿真可以幫助您識別 PDN 中單層或同時(shí)多層的熱點(diǎn)。

電路板熱分析和 PCB 布局的最佳軟件

如果沒(méi)有一套正確的 PCB 布局工具，正確管理電路板布局中的熱量是一項艱巨的任務(wù)。最好的 PCB 設計應用程序將不僅僅包括一組用于 PCB 布局任務(wù)的 CAD 工具。您將需要最好的疊層設計實(shí)用程序、全面的原理圖編輯器、混合信號仿真功能等等。一旦您準備好將電路板送去制造，您就需要以標準文件格式為您的設計創(chuàng )建文檔。您的 PCB 設計軟件應該在單個(gè)應用程序中提供所有這些功能，而不是將所有內容分成不同的程序。

Altium Designer 是唯一一款適用于任何應用的綜合性 PCB 設計應用程序，從高功率 DC 板到高速數字產(chǎn)品和高頻 RF 系統。Altium Designer 包括一流的層堆疊管理器，允許您導入標準材料、定義您能想到的任何層排列并導入獨特的材料。您還可以使用完整的布線(xiàn)和布局功能以及通孔和多邊形設計工具。您設計可靠電路板所需的一切都包含在 Altium Designer 中。

在 Altium Designer 中設計最可靠的電路板

Altium Designer 的強大之處在于其規則驅動(dòng)的設計環(huán)境。其他設計平臺將您的重要設計工具分離到不同的程序中，但 Altium Designer 可讓您通過(guò)單個(gè)應用程序保持高效。Altium Designer 中的 PCB 設計功能構建為在單個(gè)封裝中協(xié)同工作，將幫助您在創(chuàng )建設計時(shí)發(fā)現錯誤。沒(méi)有其他 PCB 設計應用程序能讓您訪(fǎng)問(wèn)如此眾多的電路板熱分析、布局和制造功能。

Altium Designer 是專(zhuān)業(yè) PCB 設計團隊的理想之選，他們需要在單個(gè)應用程序中使用一整套設計工具。

Altium Designer 的 PDNA 擴展可在我們的 PCB 布局中訪(fǎng)問(wèn)，它可以幫助您發(fā)現布局中在操作過(guò)程中過(guò)熱的區域。

當您需要與其他 PCB 設計師或制造商共享您的電路板設計時(shí)，您可以通過(guò) Altium 365 平臺即時(shí)共享您的設計和生產(chǎn)數據。

帶有大型冷卻風(fēng)扇的多板系統的 3D 視圖

完成電路板熱分析并確定 PCB 布局中的潛在問(wèn)題后，請使用 Altium Designer 實(shí)施最佳實(shí)踐，以將電路板溫度保持在限制范圍內。沒(méi)有其他設計應用程序在單個(gè)應用程序中提供完整的設計、共享和設計驗證功能。