工程力学博士李晶：教你电路板热设计实时仿真（8月20日）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：电子产品功耗与日俱增，尺寸却不能任意增大，散热问题的凸显几乎是必然。而热量的传递方式就三种，其传递效率只与温差、面积、材料的热物理性质以及流体的流动状态有关。热传递被四大因素受限，已成为大有可为的难题地球温度不太可能骤然降低，而元器件或产品表面的温度要求也不太可能会有大的跳跃，所以这里的温差是几乎无法更改的。产品尺寸不能任意增加，这导致面积这个因素也受限。

简单来说：电子产品的散热即将或者已经成为了一个难题，而这些电子产品的需求却还在加速提高（5G、万物互联、人工智能，最火爆的这几个领域，其实背后都是电子产品）。

这也使得快速提高热设计效率成为了各大企业竞争的核心竞争力。今天笔者就为大家带来一款神奇的软件-PICLS。

一、提高效率的秘诀是设计师可以随时尝试新的想法

PICLS是作为热学分析软件开发的，可以由非分析专业的电路板设计师轻松使用。考虑到可以通过二维操作轻松且快速地进行热学分析，因此进行了设计，集成了设置分析模型的预处理器和显示分析结果的后处理器。

而这一软件的诞生源自于这样一个想法，Cradle软件技术部门的卫藤提出了一个想法，即“允许电路板设计人员在没有压力的情况下即时尝试热学设计想法的软件”，这催生了软件的开发。

而其对热设计的推动作用也是立竿见影的，其中最为典型的一个案例就是日立电梯，电梯和自动扶梯需要根据客户需求和建筑物进行定制，同时还要得到标准化制造的支持。简而言之，电梯每次的使用环境各异，定制化严重。这对于设计部门来说简直是一场噩梦，特别是对于控制系统的设计师而言。

而PICLS的神奇之处就来了，对于设计人员来说，能够实时查看热传递状态和温度分布的变化。通过CAE的前期装载，消除了现场进行的无用分析，减少了寻找解决方案的研究时间，并且设计现场的开发速度显着加快了。如果在设计的初期就可以解决热学问题，则可以通过与CAE负责人协调来实现更高效的制造。

正是在这样的方法之下，日立电梯成为了世界知名的电梯品牌。

为了让大家对PICLS有更加充分的理解，仿真秀特别邀请到了MSC Cradle负责人李晶博士，为大家带来电路板在具有框体和H桥式两种工况下的散热分析方法。

二、【PICLS】具有框体的散热

在这种情况下，部件、基板和壳体由散热片代表的TIM（Thermal Interface Material）连接，并且可以使用壳体本身来改善散热性能。这次，我想使用PICLS，首先通过热通孔使热传到计算电路板B侧，并使用TIM将电路板的B侧连接到机箱以散热。

框体散热效果

那么，启动PICLS试着计算吧。首先，从①[尺寸和构成]开始制作基板（大小和层数以合适的值也没关系）。接着，单击②[零件]，在对话框的[外形尺寸] [X]、[Y]中输入[10][mm]，输入[1][W]。

接着，点击画面右上方的工作层③L1，然后再点击④[热通孔]。对话框中[X], [Y] [10][mm], [X], [Y方向] [3][本], [FiIed via]打开。然后，用鼠标拖放将创建的热通孔放置在部件的正下方。接着，单击⑤[框体]制作框体。对话框的[考虑框体]打开，设置适当的外形尺寸，单击OK。

最后，从右上角的工作层中选择最下层（在图28.1中⑥L4），然后单击⑦[散热片]。[类型]选择[框体连接]，在[尺寸] [X]，[Y] [50][mm]中输入，单击创建。此外，点击设置接触状态[K/W] ]，然后单击[0]即可。然后，用鼠标拖放将所创建的壳体连接部件向下移动。另外，通过点击[预览]，如图28.1所示，能够三维地确认壳体和壳体连接部件的位置关系等。

图1.1　框体示意图

⑨点击[结果]确认温度分布后，如图1.2所示，通过连接到框体可以知道部件温度下降。散热效果会随着外壳的材质和厚度，TIM的材质和厚度，以及接触面的接触热电阻等发生很大的变化。如上所述，使用PICLS可以一定程度上掌握这些影响。另外，在本次的例子中，将零件的热量通过热通孔传到B面上，与基板的B面-TIM-框体连接，还可以考虑零部件-TIM-框体这种连接方式下的散热，也可以进行讨论。

进一步去掉散热片时温度会上升，如图28.3所示。

同时即使有散热片，接触热阻也会影响散热，図28.4所示的是基于图28.2，接触热阻5K/W时的温度分布，从图中可知温度急剧上升。

图1.2　具有框体时的温度分布

图1.3　具有框体，无散热片时的温度分布

图1.4　具有框体，有散热片时的温度分布（接触热阻5K/W]）

三、【PICLS】基于PICLS考虑H桥式散热

使用PICLS，进行H桥式电路的散热问题。基于H桥式电路，计算出不能部件的发热量，具体如下表所述。

表2.1　元件的发热量和尺寸

启动PICLS，单击①[尺寸和构成]。基板的尺寸为100 mm×100 mm，把[层数]输入为[2]、L1和L2的[残铜率] [50][%]。接着，点击②[部品]，根据表32.1制作部件。在制作部件之前，在左下角的[Detail 2]标签中设定[Snap]为[0.1][mm]，将[禁止使用鼠标调整尺寸]设置为ON的话，在制作和配置小零件时非常方便。

如图32.1所示，在适当的位置配置部件，单击③[结果]就能得到图32.2所示的温度分布。上次的讨论需要散热片，不过，没有散热片时，Q1和Q2如预想产生高温。