高層摘要
印刷電路板?(PCB)?性能的很多方面是在深化設(shè)計期間確定的,例如:出于時序原因而讓一條走線具有特定長度。元器件之間的溫度差也會影響時序問題。PCB 設(shè)計的熱問題主要是在元器件(即芯片封裝)選擇和布局階段?“鎖定”。在這之后,如果發(fā)現(xiàn)元器件運行溫度過高,只能采取補救措施。我們倡導(dǎo)從系統(tǒng)或外殼層次開始的由上至下設(shè)計方法1,以便了解電子設(shè)備的熱環(huán)境,這對氣冷電子設(shè)備非常重要。早期設(shè)計中關(guān)于氣流均勻性的假設(shè)若在后期被證明無法實現(xiàn),將對產(chǎn)品的商業(yè)可行性帶來災(zāi)難性影響,并最終失去市場機會。?
-特許工程師約翰?·?帕里?(John?Parry)博士和拜倫?·?布萊克莫爾?(Byron?Blackmore)
優(yōu)化熱布局
“盡早開始并從簡單的做起”,這是金科玉律。負責(zé)產(chǎn)品熱完整性的機械工程師應(yīng)當向電子工程師提供盡可能多的反饋意見以指導(dǎo)設(shè)計,優(yōu)化其所做選擇的熱影響,尤其是在早期設(shè)計中。 從機械工程師的角度看,在PCB層,這意味著幫助選擇封裝和理想元器件位置,以利用系統(tǒng)氣流進行散熱。當然,布局和封裝選擇主要取決于電子性能與成本考慮。但是,應(yīng)當盡可能弄清這些選擇會給熱性能帶來怎樣的后果,因為溫度和散熱同樣會影響性能與成本。
1:開始預(yù)布置/預(yù)布局
在電子設(shè)計流程中,完成布局之前有大量工作可以做。事實上,在此之前,就需要將熱考慮對設(shè)計的任何影響計算在內(nèi)。利用機殼的簡單表示就可以完成大量工作1,提供有關(guān)電路板上氣流分布的信息。
首先,簡單地將電路板的總功率分配到電路板的整個表面。據(jù)此生成的溫度圖會指示出任何因為氣流分布不當而引起的高溫區(qū)域,機殼層氣流應(yīng)當在PCB設(shè)計之前進行優(yōu)化。對此,您可以將電路板視作一個具有?5Wm?1K?1到10Wm?1K?1各向同性熱導(dǎo)率的模塊。這個階段獲得的結(jié)果對所選的值不太敏感。
需要注意的是:元器件會局部地將熱量注入電路板中,因此元器件下方的電路板中的熱通量密度會高于電路板的平均值。于是,局部板溫會高于仿真預(yù)測值,因此不應(yīng)使用這一階段得出的板溫來估算元器件溫度。要估算元器件溫度,必須優(yōu)化模型。
如果任一點的板溫接近元器件外殼上限溫度,那么一旦用離散方式表示元器件熱源,就極有可能超過此限值。例如,若已知一個或多個元器件需要散熱器,這種情況就可能出現(xiàn)。 ?
2:獲取元器件功率(猜測) 為此,對于設(shè)計中將會使用的主要散熱元器件,必須知道其功率預(yù)算的理想猜測值,以及其封裝的大致尺寸,這一點非常重要。這樣您就可以在仿真中將其描述為封裝熱源,并將其余熱量均勻分配到電路板表面。 在研究和選擇零件之前,即在項目的原理圖階段開始時,系統(tǒng)架構(gòu)師已對需要哪些關(guān)鍵組件、哪些組件需要靠近什么位置、組件尺寸等有所了解。例如,他們可能會使用其他產(chǎn)品的某些組件,或保留上一代產(chǎn)品的組件。 ?
3:選擇封裝之前使用三維元器件模型 盡管比較困難,但在最終選定元器件之前,嘗試在仿真中包含某種形式的三維元器件模型至關(guān)重要。在此階段之前反饋熱結(jié)果,就更有可能在封裝選擇標準過程中考慮熱性能。某些集成電路(IC)提供多種封裝樣式,但從熱角度看,并非所有封裝樣式的性能都一樣好。因此,如果選擇了適當?shù)姆庋b,后期可能不需要使用散熱器。 元器件溫度(殼溫或結(jié)溫,取決于制造商如何指定元器件規(guī)格)是表明設(shè)計在熱方面是否合格的關(guān)鍵指標。然而,在此階段,我們只能獲得元器件溫度的粗略估算值。 如果缺少其他信息,能派上用場的簡單三維元器件模型是導(dǎo)熱塊。Simcenter Flotherm軟件的材料屬性經(jīng)過定制,針對不同封裝樣式產(chǎn)生不同的預(yù)計殼溫。 圖1:Simcenter FloTHERM中的集總封裝材料。
? 塑封元器件建議使用5Wm?1K?1至10Wm?1K?1的熱導(dǎo)率2,陶瓷元器件建議使用15Wm?1K?1。5Wm?1K?1顯然對應(yīng)最壞情況下的殼溫數(shù)值。 以三維方式表示封裝主體后,相關(guān)人員便可考慮元器件對局部氣流以及任何下游元器件的影響。較大元器件會阻擋冷卻空氣流動到較小、較低的元器件;元器件背后的尾流區(qū)是同樣的空氣不斷循環(huán)流動的區(qū)域,因而該區(qū)域中所有元器件的溫度可能都很高。建議將所有矩形元器件對齊,使其長邊與主要氣體流動方向平行。這不僅會降低總體壓降(因為氣流遇到的阻礙更少),而且會縮小尾流區(qū),盡可能減少對下游元器件的影響。 ?
4:反饋熱結(jié)果 在這一階段,您可以開始將有關(guān)PCB性能的信息反饋給PCB設(shè)計團隊。雖然這個階段的仿真相對粗糙,但主要仿真結(jié)果(即電路板上的氣流分布和相應(yīng)的板溫圖)極具參考價值,您可以借此顯示如何處理可用的冷卻空氣,以及對元器件溫度可能造成的影響。 必須強調(diào)的是,這些標稱元器件殼溫值會發(fā)生變化,因為它們基于以下條件: ?假定的布局 ?粗略的功率估算 ?封裝選擇的不確定性 ?PCB中未知的疊層和銅層分布 ?散熱器初步尺寸和設(shè)計(若已經(jīng)知道是必需的) ? 但即便如此,它仍然是一個有用的起點,既有助于了解系統(tǒng)性能,又提供了一個可隨著設(shè)計的展開不斷進行優(yōu)化的模型。這個模型帶來了有效平臺,可用于調(diào)查元器件布置對元器件及其相鄰元器件的溫度影響,從而據(jù)此結(jié)果輕松調(diào)整,而且模型的重新運行通常也只需要幾分鐘,而不是數(shù)小時。 結(jié)果會在一定程度上反映哪些元器件(若有)可能需要某種形式的散熱器,接下來可以對此進行研究。另外,一旦獲知關(guān)于封裝選擇的更多信息,有些元器件的模型可能需要進一步優(yōu)化,因此這種試驗有助于了解在開發(fā)熱模型時應(yīng)優(yōu)先關(guān)注哪些方面。 ?
5:盡早確定散熱器尺寸 對于任何可能過熱的元器件,都應(yīng)當研究能否通過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(cè)垂直,則板型(或擠壓)鰭片散熱器可能更合適。否則,應(yīng)當考慮柱狀鰭片散熱器。 Simcenter Flotherm和Simcenter Flotherm XT提供了散熱器SmartPart,可用于通過參數(shù)定義散熱器幾何形狀。首先將散熱器的基座尺寸設(shè)為與封裝相同,然后研究不同的鰭片數(shù)量、鰭片高度和厚度的散熱效果。此舉是為了確定能否將散熱器簡單地安裝在封裝頂部,或者是否需要更大的散熱器。對于后一種情況,我們還要了解用于機械安裝的電路板基板面(參見圖2),因為此信息需要盡早反饋給PCB設(shè)計團隊。若如此,則必須選擇一個能提供充分散熱的現(xiàn)有散熱器,或者在電路板布線之前設(shè)計一個定制散熱器,因為散熱器的機械安裝可能會影響元器件布置。 散熱器本質(zhì)上是面積擴展裝置,旨在擴大空氣流通的表面來增加與空氣的對流熱傳遞。散熱器一般由鋁合金制成,以便熱量能夠有效擴散到整個基座并達到鰭片。基座充當散熱器,有助于降低元器件溫度。首先使用較短且間距較寬的鰭片,以便盡可能減少對氣流的阻礙以及散熱器引起的尾流,進而降低對下游元器件散熱的影響。 ? ? ? 如果結(jié)果表明,元器件可以利用安裝于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,但后期還需要重新審視。 使用散熱器時,必須考慮封裝與散熱器之間的熱學(xué)界面材料(TIM)的熱阻。最終選擇取決于很多因素,但在設(shè)計早期中,使用厚度約0.2mm(毫米)、熱導(dǎo)率約1.0Wm?1K?1的標準導(dǎo)熱墊是比較保險的選擇。
? 6:精確表示元器件 反饋信息給PCB設(shè)計團隊以幫助其選擇和布置元器件之后,還可以指導(dǎo)其使用密切相關(guān)的熱指標來比較候選元器件的熱性能。
對于沒有散熱器的組件,可用于比較的密切相關(guān)的熱指標是聯(lián)接對電路板電阻。3對于預(yù)計有散熱器的組件,聯(lián)接對電路板電阻相關(guān)度較高,因為電阻通常是針對與散熱器的接觸面而定義的。?對于晶體管輪廓(TO)型封裝,該接觸面通常是焊接在PCB上。若這兩個指標均可用,則可以按電子元件工業(yè)聯(lián)合會(JEDEC)標準創(chuàng)建一個雙熱阻模型(參見圖3),并重新運行熱模型以獲得第一個結(jié)溫估算值。? 在預(yù)測精度方面,再上一個級別則是DELPHI模型。?相較于雙電阻模型,DELPHI模型更適用于散熱器,因為頂面分為不同溫度的內(nèi)部和外部區(qū)域,可用來初步研究散熱器底座厚度的影響。然而,對于需要散熱器且熱特性較為關(guān)鍵的封裝,建議使用詳細模型。 圖 3:用于設(shè)計的封裝熱信息的保真度層級。 ?
此外,建議在互聯(lián)網(wǎng)上搜索元器件產(chǎn)品說明,看看是否有任何可用的Simcenter FloTHERM模型;若沒有,可向供應(yīng)商申請Simcenter FloTHERM模型。有時候,獲得這些模型需要遵守保密協(xié)議(NDA)。Simcenter FloTHERM作為廣泛使用的電子散熱計算流體力學(xué)(CFD)軟件,許多領(lǐng)先的IC封裝供應(yīng)商都可為其提供熱模型。這也是Simcenter FloTHERM PACK真正體現(xiàn)其價值的地方。大約70%的Simcenter FloTHERM PACK用戶是系統(tǒng)集成商,他們只需要知道封裝樣式、主體尺寸和引線數(shù)量,就能利用Simcenter FloTHERM PACK的JEDEC封裝向?qū)捎写硇缘姆庋b熱模型。Simcenter FloTHERM PACK還為您提供了所有輸入數(shù)據(jù)的完全訪問權(quán),因此,只要獲得關(guān)于封裝的更多信息,就能立即更新模型,并生成雙熱阻模型、DELPHI模型?和詳細模型。因此,隨著設(shè)計的展開,您可以輕松地優(yōu)化元器件熱模型。
? 7:不要忽略電路板細節(jié)
一旦獲得元器件封裝和熱源估算信息,并將元器件作為三維導(dǎo)熱塊建模,就可以開始研究結(jié)果對電路板熱導(dǎo)率的敏感度。因此,這項活動可以而且確實應(yīng)當與元器件模型優(yōu)化同時進行。 在實際應(yīng)用中,PCB熱導(dǎo)率并不存在單一值。PCB由銅和介電材料組成,并且銅的導(dǎo)熱性能高出大約1,000倍,因此,電介質(zhì)在各層之間和各條走線之間形成了熱隔離。在對電路板進行布線之前的早期設(shè)計中,可使用浮動變化固定在一定范圍內(nèi)(比如5Wm?1K?1到15Wm?1K?1)的簡單各向同性熱導(dǎo)率值來了解PCB熱性能對仿真結(jié)果有多大影響。在深化設(shè)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(shè)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)。在獲得原理圖之后、電路板布線之前可以獲得的有用信息是電路板疊層。 務(wù)必估算電路板可能會有多少信號層和電源/接地層。PCB表面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(nèi)熱導(dǎo)率。 從熱角度看,這些含銅層對PCB性能的貢獻受其厚度影響。常見的厚度是0.50盎司(Oz)或1.0Oz銅。Oz表示以盎司為單位均勻分布在一平方英尺面積上的銅的重量。??1Oz等于1.37mil(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(shù)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(yīng)使用1Oz厚度,走線層應(yīng)使用0.5Oz厚度,覆銅百分比分別假定為80%和20%。電介質(zhì)對面積平均熱導(dǎo)率(包括層內(nèi)和層間)幾乎無影響,因此可以認為這些層的熱導(dǎo)率分別為銅熱導(dǎo)率的80%和20%。 介電層的下限厚度取決于任一面上為補償熱膨脹系數(shù)差異而需要的銅厚度?,然后便可計算板的總厚度。 對于小型、大功率、低引腳數(shù)的封裝,電路板上走線的長度尺度在數(shù)量級方面與封裝類似,因此在電子設(shè)計自動化(EDA)系統(tǒng)提供這些信息之前,有必要在與封裝類似的幾何細節(jié)級別上對這些特性進行建模。例如,在對封裝進行詳細建模時,代表TO封裝上所焊接的銅墊,以及封裝上的局部走線。對焊盤下方用來將熱量導(dǎo)向埋入接地層的所有熱過孔進行建模時,也應(yīng)采取類似的做法。 ?
8:從EDA系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)
Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERM XT具有全面的EDA接口功能,以便從所有主要EDA系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù),包括:SPADS軟件、Boardstation軟件、Xpedition軟件、Cadence Allegro和Zuken CR5000。 從EDA系統(tǒng)導(dǎo)入元器件布置數(shù)據(jù)可確保熱設(shè)計工具內(nèi)的布置正確;布局一旦有變化,即應(yīng)重新導(dǎo)入。利用Simcenter FloTHERM XT的FloEDA Bridge軟件,一鍵即可重新導(dǎo)入PCB設(shè)計數(shù)據(jù)更新,關(guān)于用戶如何篩選此數(shù)據(jù)的所有現(xiàn)有設(shè)置都會保留。 詳細PCB建模涉及從EDA系統(tǒng)導(dǎo)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。
? 9:在設(shè)計流程中提前考慮PCB熱設(shè)計 本著持續(xù)改進的精神,應(yīng)當努力在下一個項目的設(shè)計流程中將熱設(shè)計提前。 在某種程度上,這將使機械角度的熱設(shè)計與電氣角度的熱設(shè)計同步進行。順利的話,這兩種方法可相輔相成,使得熱設(shè)計完成得更快、更可靠,結(jié)果也會優(yōu)于分步進行熱設(shè)計的情形。關(guān)鍵是不同專業(yè)對各流程可以且應(yīng)當完成哪些工作達成共識,這也正是本文的意圖。 ?
10:與EDA流程協(xié)同設(shè)計 最終目標是與EDA流程協(xié)同進行熱設(shè)計。近年來,PCB走線的電流密度和電源平面層上不同區(qū)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(shè)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(shè)計人員應(yīng)對這個問題,西門子在布局和布線工具集之外推出了HyperLynx Thermal和HyperLynx PI軟件(用于電源完整性)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中產(chǎn)生額外的熱源。Simcenter FloTHERM可用于逐層導(dǎo)入詳細的熱源圖并疊加到PCB的詳細模型上,從而正確地計入這種熱源。 Simcenter 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(jié)束整個系統(tǒng)的熱設(shè)計之前,建議將PCB中焦耳加熱所產(chǎn)生的熱源從HyperLynx PI導(dǎo)入Simcenter FloTHERM或Simcenter FloTHERM XT。 圖 4:設(shè)計期間的 CFD 結(jié)果與利用紅外攝像機測量的實際 PCB 的對比。
結(jié)語
本白皮書概要介紹了PCB熱設(shè)計的重要考慮事項,但并非面面俱到。如果您負責(zé)PCB級別熱設(shè)計,想了解西門子的熱設(shè)計軟件如何能夠幫助您,以及什么產(chǎn)品適合您,敬請聯(lián)系我們。Simcenter還提供了連接Xcelerator Share的機會。Xcelerator Share是以工程為中心的云解決方案,尤為適合協(xié)同;借助Xcelerator Share,各種規(guī)模的團隊都可以通過合適的訪問控制與關(guān)鍵利益相關(guān)方安全地展開合作,包括設(shè)計師、經(jīng)理、測試工程師、供應(yīng)商、客戶等。這樣便打造了以項目為基礎(chǔ)的可擴展工作空間,可以更靈活地開發(fā)產(chǎn)品。項目成員可以隨時在任何設(shè)備上查看和批注設(shè)計、共享仿真模板和審核仿真結(jié)果。 ?
參考文獻
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7.https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board
8.http://www.pcbuniverse.com/pcbu-tech-tips.php?a=4
編輯:黃飛
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