热模拟驱动产品设计 —降低高密度PCB板温度的方法论
本文摘要（由AI生成）：
本文探讨了汽车电子单元产品中PCB板在高电流密度下产生的焦耳热问题。随着电流增大，焦耳热成为挑战，特别是在高温环境下。通过电-热耦合模拟，识别并优化电路板上的热点以降低焦耳热。初始模型在实验室条件下通过红外热成像和热电偶测量得到验证，随后提出两种优化方案，通过增加铜层厚度来降低焦耳热和最高温度。最终，方案2将PCB板的最高温升从88℃降低到53℃，显著提高了电子器件的寿命。此研究为工程师在产品设计初期快速识别并消除热点提供了有效方法。
一、导读
当前，电子产品朝着功能齐全、轻量化、低成本的方向发展，这种需求使得PCB板必须在高密度电流的情况下工作。一般来说，汽车电子产品在恶劣的环境中运行。在过去的几十年中，电子在汽车行业中使用越来越多，其对轻量化和经济高效电子的需求呈指数级增长。另外与外部包装轻量化要求相同，电子产品的功能增加了很多，这势必对电子产品的热管理提出了挑战。为了满足应用程序所需的众多功能，电路板器件的密度、PCB板上的电流也增加了很多。在高电流的需求下，焦耳加在PCB板上的热耗是非常大的。如果采用自然散热的方式，不对PCB表面使用额外冷却手段的情况下，PCB上的器件和铜箔层的散热是一个巨大的热挑战。关键词：设计优化 电-热模拟 焦耳加热 高电流密度 PCB
在本研究中，该产品包含，一个塑料外壳，PCB及能够在高电流下工作的电子元件。该PCB产品拥有多个输入和输出，支持各种负载。高密度电流流过PCB中的多层铜箔上。这些铜层(由于尺寸的限制) ，在高密度电流情况下，势必导致较高的焦耳热。另外，在PCB基板上有多个电子部件工作。结果，这些部件处于较高的工作温度下。
本研究使用热风险管理工具(Thermal Risk Management tool，TRM)进行电热模拟，热测量分别通过热成像和热电偶，来对热场和元件的温度进行测量。热模拟与测量的结果进行对比，误差在±3%范围内。在验证了热仿真模型的基础上，通过仿真进行了参数化研究，优化了铜线的几何形状和元件位置，优化了元件、PCB的功耗、PCB布线的布局堆叠和PCB基材。这种优化有助于减少PCB板上的热点和温度。在早期产品的开发阶段，可以大大降低开发成本和产品成本。其中Q表示焦耳热耗，单位为W；I 为流入电路板的电流，单位为A；R为铜箔的电阻，单位为欧姆。电阻R与铜箔的几何及电阻系数有关，其对应公式为：
这里p表示铜箔的电阻率，单位为w.m；L为铜箔的长度，单位为m；A为电流通过铜箔的横截面积，单位为
。
随着电流的增大，焦耳热可能变成了一个巨大的挑战。如果内部产生的热量相对较高，加上比较恶劣的高温外部环境，热挑战就会被放大许多倍。一、产品
对某一个汽车电子单元产品进行分析，它支持车辆上的多种应用。为了满足所有这些需求，PCB板上需要通入较高的电流。铜层，由于尺寸的限制，在流入高密度电流后，导致更高的焦耳热。除此之外，电路板上的器件也会有大量的热生成。相应的结果就是，整个PCB板上的器件处于高温的状态下。二、电—热耦合模拟
3、识别电路板上的热点，以便对PCB板铜箔布局进行优化，降低铜箔产生的焦耳热。在本研究中，通过热风险管理方法（Thermal Risk Management tool，TRM）电-热模拟来进行，该工具用于计算电子器件和PCB的温度。三、仿真模型
该模型由元件及其各自的功耗、PCB板内部的热过孔及热耗、PCB板基材（FR4)、不同的铜层、铜层之间电流流动的导电体、输入输出引脚等等。外壳结构的影响主要体现在边界条件对应的换热系数上。总的换传系数是考虑整个产品的传导、对流和辐射，进行系统级的共轭传热模型导出的，电流(I)被分配给输入和输出的引脚。将环境温度作为边界条件应用于PCB及元件。四、模拟的有效性
为了通过消除热瓶颈来评估产品的热风险，提高产品的使用寿命，对元件、PCB和塑料外壳的温度与极限进行了比较。由于电子产品的温度每升高10°C，其寿命将减少一半，所有的电子产品将必须保持在合理的工作温度下。
寿命和工作温度的关系是：
t表示工作时间，单位为h；c为常数；T表示器件的工作温度，单位为K。
为了验证模拟结果，在实验室中通过红外热成像和热电偶测量，对板级和组件级进行了测量。分别用于热场和元件温度。模拟和测量结果表明PCB板的温升误差在±3%以内。
表1显示了被测量的几个工作部件的温度以及它们在模拟中的预测温度。
五、初始模型
一旦通过实验室测量验证了仿真模型，那么可以对完整模型进行全负荷加载，其中PCB板的电流和元件的功耗都是最大的。铜层的厚度信息如下表所示（每层厚度35微米）：
测试电路板的顶面，电路板的最大温升为88.8 ˚C，电路板整体的焦耳热为13.03 W。
七、优化方案1
由于焦耳热相当高(即13W)，这势必导致PCB和元件的温度也比较高，因此需要对铜箔进行了修改，以减少它。作为减少焦耳热的第一步，可以通过增加铜层的厚度来增加电流流过的截面面积。铜层厚度如下：
通过计算，可以得到电路板上的最大温升为59.8˚C，焦耳热由13.03 W降至6.81W。随着铜层厚度增加为原来的两倍，电流流经的断面面积增加了一倍，这使得焦耳加热减少了一半。
方案1—PCB板顶部的温度分布云图
八、优化方案2
随着铜层厚度的增加，截面面积增大，这是降低PCB的焦耳热和最高温度的有效途径。在继续优化设计的方案中，选用最大的铜层厚度。修改铜箔层厚度信息，如下表所示：
方案2—PCB板顶部的温度分布云图
在此方案中，PCB板的最高温升为53.3˚C。增大电流流经的截面积，可以进一步减少焦耳热，从而降低PCB的温度。顶层铜箔的最大电流密度从140A/mm2降至120A/mm2，内部4层的最大电流密度由73A/mm2降低至62A/mm2。
九、结论
降低元器件和PCB的温度是提高电子产品寿命的重要设计目标。对于高电流密度的PCB板而言，要保持其维持安全的温度，焦耳热必须最小。通过优化布线的几何尺寸，进行了方案的修改（PCB板布线布局的修改），进一步降低了PCB板及器件的最高温度，如方案2所示，内部层用来承载电流，使得PCB板的最高温升由原始的88℃降低到53℃，这大大提高了电子器件的寿命。
通过本案例的热模拟计算，可以帮助工程师在产品设计的初期阶段，快速找出热点区域，并采取相应的措施消除热点区域。
作者：王永康，仿真秀专栏作者
