PCB产品热管理案例：仿真驱动产品设计，提高电子产品寿命

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一、写在前面

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。

二、PCB产品热管理实例介绍

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。

PCB板上铜箔流入电流，进而产生热量，其公式为：

，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。

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。

电—热耦合模拟

PCB板的电-热模拟有助于(i)可视化整个板子的热场，(ii)识别电流流动的瓶颈，(iii)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。

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。

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。

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。

三、PCB产品热管理优化方案

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

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。

四、结论概述

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。

五、公开课-汽车电子控制器混合冷却热仿真注意要点

为了让更多的学员可以学习到PCB产品热管理的方法，笔者应仿真秀邀约，于2020年9月4日晚8点做客仿真秀直播间，为大家带来《汽车电子控制器混合冷却热仿真注意要点》公开直播。

直播中笔者将为大家带来：

1、常见不同类型汽车电子控制器CAD模型修复的注意事项及修复技巧

2、汽车电子控制器PCB板热仿真计算最佳操作方法及网格划分要点

3、汽车电子控制器混合对流散热的求解设置

4、汽车行驶中，遇突发状态下控制器热流仿真设置要点

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作者：王永康老师 仿真秀签约讲师

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首次发布时间：2020-09-05