热分析和热设计是提高印刷板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识PCB散热方法的选择、热设计和热分析的技术措施。
除了有用的工作外，电子设备在工作过程中消耗的大部分电能都转化为热量释放。电子设备产生的热量会迅速提高内部温度。如果热量不及时释放，设备将继续加热，设备将因过热而失效，电子设备的可靠性将降低。
SMT增加电子设备的安装密度，降低有效散热面积，严重影响设备温升的可靠性。因此，热设计的研究非常重要。
印刷板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件功耗不同，加热强度随功耗的大小而变化。 印刷板中温升的两种现象： (1)局部温升或大面积温升； (2)短时温升或长时间温升。 在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。
2.1电气功耗
(1)分析单位面积的功耗； （2）分析PCB板上功耗的分布。2.2印刷板的安装方法
(1)安装方法(如垂直安装、水平安装)； (2)密封与机壳的距离。2.3印刷板的结构
(1)印刷板的尺寸； (2)印刷板材料。2.4热传导
(1)安装散热器； (2)其他安装结构件的传导。2.5热辐射
(1)印刷板表面的辐射系数； (2)印刷板与相邻表面之间的温差及其绝对温度；2.6热对流
(1)自然对流； (2)强制冷却对流。从PCB以上因素的分析是解决印刷板温升的有效途径。这些因素通常在产品和系统中相互关联和依赖。大多数因素应根据实际情况进行分析。只有根据特定的实际情况，才能正确计算或估计温升和功耗。
3.1.确保散热通道畅通
(1)充分利用元器件布置、铜皮、开窗、散热孔等技术，建立合理有效的低热阻通道，确保热量顺利出口PCB。(2)设置散热通孔
(3)使用导热材料设计一些散热孔和盲孔，可有效提高散热面积，降低热阻，提高电路板的功率密度。如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。焊料在电路生产过程中填充，提高导热性。电路工作时产生的热量可通过通孔或盲孔快速传递到金属散热层或背面设置的铜泊。在某些情况下，有散热层的电路板是专门设计和使用的。散热材料一般为铜/钼，如某些模块电源上使用的印刷板。
在高功耗装置与基材的接触面上使用导热材料，以降低热传导过程中的热阻。(4)工艺方法
3.2选材
(1)印刷板导线通过电流引起的温升和规定的环境温度不得超过125 ℃(常用的典型值。可能根据所选板材而有所不同)。由于部件安装在印刷板上也会产生部分热量，影响工作温度，这些因素在选择材料和印刷板设计时应考虑在内，热温不得超过125 ℃。尽量选择较厚的覆铜箔。 (2)铝基、陶瓷基等热阻小的板材可在特殊情况下选择。 (3)多层板结构有助于帮助PCB热设计。对于一些双面装有设备的区域，很容易引起局部高温。为了改善散热条件，可以在焊膏中加入少量的小铜，然后在设备下方的焊点有一定的高度。增加设备与印刷板之间的间隙，增加对流散热。
3.3布线时的要求
(1)板材选择(印刷板结构设计合理)； (2)布线规则； (3)根据设备电流密度规划最小通道宽度；特别注意接头处的通道布线； (4)大电流线尽量表面化；在不能满足要求的情况下，可以考虑使用汇流排； （5）要尽量降低接触面的热阻。为此应加大热传导面积；接触平面应平整、光滑，必要时可涂覆导热硅脂； (6)考虑热应力平衡措施，加粗线条； (7)散热铜皮应采用消热应力开窗法，散热阻焊应适当开窗； (8)表面可采用大面积铜箔； (9)印刷板上的接地安装孔采用大焊盘，充分利用安装螺栓和印刷板表面铜箔散热； （10）尽可能多安放金属化过孔, 而且孔径和盘面尽可能大，靠过孔有助于散热； (11)设备散热补充手段； (12)如果表面大面积铜箔可以保证，出于经济考虑可以不使用加散热器的方法； （13）根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积（保证原则tj≤（0.5～0.8）tjmax）。3.4元器件的排布要求
（1）对PCB进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制； （2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上； （3）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区； （4）使传热通路尽可能的短； （5）使传热横截面尽可能的大； （6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （7）（液态介质）电容器的最好远离热源； （8）注意使强迫通风与自然通风方向一致； （9）附加子板、器件风道与通风方向一致； （10）尽可能地使进气与排气有足够的距离； （11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上； （12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅； （13）（小信号放大器外围器件）尽量采用温漂小的器件；（14）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。
4、热仿真（热分析）
热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能，帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算PCB的平均温度，复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。 无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼，热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性。在许多应用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高，从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析，与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低，也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高，此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本，而且延长了制造时间，在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素，因此PCB现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热)，以使元件在较低的温度范围内工作。热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性，这在所有PCB设计中都可能发生，花费一些功夫准确确定元件功耗，再进行PCB热分析，这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。应使用准确的热模型和元件功耗，以免降低PCB设计效率。
4.1元件功耗计算
准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程，PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损耗功率，热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中。设计人员先猜测一个元件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值，并将元件功耗输入到细化的热模型中，计算出PCB和相关元件“结点”(或热点)的温度，第二步使用新温度重新计算元件功耗，算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入。在理想的情况下，该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止。 然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力，他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB的总功耗，将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量。热分析可预测出平均环境温度，使设计人员用于计算元器件的功耗，通过进一步重复计算元件温度知道是否还需要作其他工作。 一般电子元器件制造商都提供有元器件规格，包括正常工作的最高温度。元件性能通常会受环境温度或元件内部温度的影响，消费类电子产品常采用塑封元件，其工作最高温度是85 ℃；而军用产品常使用陶瓷件，工作最高温度为125 ℃，额定最高温度通常是105 ℃。PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。 计算元件温度最准确的方法是作瞬态热分析，但是确定元件的瞬时功耗十分困难。一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析。
PCB受到各种类型热量的影响，可以应用的典型热边界条件包括： 前后表面发出的自然或强制对流； 前后表面发出的热辐射； 从PCB边缘到设备外壳的传导； 通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导； 从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导； 2个PCB夹层之间散热器的传导。 目前有很多种形式的热模拟工具，基本热模型及分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具，以及用于详细PCB和元件建模的PCB应用工具。
4.2板级热仿真
板级热仿真软件可以在三维结构模型中模拟PCB的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,也可以模拟强迫散热、真空状态或自然散热等。目前可做板级热分析比较典型的软件有Flotherm，Betasoft等等。4.3基本过程
在不影响并有助于提高系统电性能指标的前提下，依据提供的成熟经验，加速PCB热设计。 在系统及热分析预估及器件级热设计的基础上，通过板级热仿真预估热设计结果，寻找设计缺陷，并提供系统级解决方案或变更器件级解决方案。 通过热性能测量对热设计的效果进行检验，对方案的适用性和有效性进行评价；通过预估-设计-测量-反馈循环不断的实践流程，修正并积累热仿真模型，加快热仿真速度，提高热仿真精度；补充PCB热设计经验。
转载自 http://bbs.cntronics.com/blog-132366-16614.html