高层摘要

印刷电路板 (PCB) 性能的很多方面是在深化设计期间确定的，例如：出于时序原因而让一条走线具有特定长度。元器件之间的温度差也会影响时序问题。PCB 设计的热问题主要是在元器件（即芯片封装）选择和布局阶段 “锁定”。在这之后，如果发现元器件运行温度过高，只能采取补救措施。我们倡导从系统或外壳层次开始的由上至下设计方法¹，以便了解电子设备的热环境，这对气冷电子设备非常重要。早期设计中关于气流均匀性的假设若在后期被证明无法实现，将对产品的商业可行性带来灾难性影响，并最终失去市场机会。

-特许工程师约翰 · 帕里 (John Parry)博士和拜伦 · 布莱克莫尔 (Byron Blackmore)

1:开始预布置/预布局

在电子设计流程中，完成布局之前有大量工作可以做。事实上，在此之前，就需要将热考虑对设计的任何影响计算在内。利用机壳的简单表示就可以完成大量工作¹，提供有关电路板上气流分布的信息。

首先，简单地将电路板的总功率分配到电路板的整个表面。据此生成的温度图会指示出任何因为气流分布不当而引起的高温区域，机壳层气流应当在PCB设计之前进行优化。对此，您可以将电路板视作一个具有 5Wm⁻¹K⁻¹到10Wm⁻¹K⁻¹各向同性热导率的模块。这个阶段获得的结果对所选的值不太敏感。

需要注意的是：元器件会局部地将热量注入电路板中，因此元器件下方的电路板中的热通量密度会高于电路板的平均值。于是，局部板温会高于仿真预测值，因此不应使用这一阶段得出的板温来估算元器件温度。要估算元器件温度，必须优化模型。

图1：Simcenter FloTHERM中的集总封装材料。

以三维方式表示封装主体后，相关人员便可考虑元器件对局部气流以及任何下游元器件的影响。较大元器件会阻挡冷却空气流动到较小、较低的元器件；元器件背后的尾流区是同样的空气不断循环流动的区域，因而该区域中所有元器件的温度可能都很高。建议将所有矩形元器件对齐，使其长边与主要气体流动方向平行。这不仅会降低总体压降（因为气流遇到的阻碍更少），而且会缩小尾流区，尽可能减少对下游元器件的影响。

散热器本质上是面积扩展装置，旨在扩大空气流通的表面来增加与空气的对流热传递。散热器一般由铝合金制成，以便热量能够有效扩散到整个基座并达到鳍片。基座充当散热器，有助于降低元器件温度。首先使用较短且间距较宽的鳍片，以便尽可能减少对气流的阻碍以及散热器引起的尾流，进而降低对下游元器件散热的影响。

图2：延伸到封装主体之外且带有定位销的散热器。

图 3：用于设计的封装热信息的保真度层级。

此外，建议在互联网上搜索元器件产品说明，看看是否有任何可用的Simcenter FloTHERM模型；若没有，可向供应商申请Simcenter FloTHERM模型。有时候，获得这些模型需要遵守保密协议(NDA)。Simcenter FloTHERM作为广泛使用的电子散热计算流体力学(CFD)软件，许多领先的IC封装供应商都可为其提供热模型。这也是Simcenter FloTHERM PACK真正体现其价值的地方。大约70%的Simcenter FloTHERM PACK用户是系统集成商，他们只需要知道封装样式、主体尺寸和引线数量，就能利用Simcenter FloTHERM PACK的JEDEC封装向导生成有代表性的封装热模型。Simcenter FloTHERM PACK还为您提供了所有输入数据的完全访问权，因此，只要获得关于封装的更多信息，就能立即更新模型，并生成双热阻模型、DELPHI模型⁶和详细模型。因此，随着设计的展开，您可以轻松地优化元器件热模型。

Simcenter FloTHERM等CFD软件可以极为精确地表示PCB的对流散热以及与周围物体的辐射热交换。结束整个系统的热设计之前，建议将PCB中焦耳加热所产生的热源从HyperLynx PI导入Simcenter FloTHERM或Simcenter FloTHERM XT。

图 4：设计期间的 CFD 结果与利用红外摄像机测量的实际 PCB 的对比。