您的电路板热分析完整指南

2021-07-06

您的电路板热分析完整指南

PCB 基板和铜导体的物理特性是决定电路板在运行过程中如何升温的主要因素。电路板热分析技术旨在预测电路板在运行过程中何时何地发热，以及电路板将变得多热。分析的这一重要部分旨在确保组件级和板级可靠性，它可以影响许多设计决策。

当您使用最好的印刷电路板设计软件时，可以轻松设计出可靠性高、运行温度低的电路板。Altium Designer 拥有最好的电路板设计工具以及完整的材料库，以帮助确保可靠性。您将拥有在 PCB 布局和叠层中实施最佳热管理实践所需的一切。以下是您如何更好地理解电路板热分析以及如何设计下一块电路板以提高可靠性的方法。

统一的 PCB 设计包，将高级布局功能与全面的基板材料库和生产规划功能集成在一起。

电路板和组件中的材料将决定运行期间热量如何在电路板上移动。不幸的是，PCB 基板材料是绝缘体，可防止热量从热元件散发出去。铜导体和平面层会有所帮助，但有一些简单的设计选择会影响电路板运行时的平衡温度。这些设计决策集中在三个方面：

电路板叠层设计

基材选择

组件选择和布局

除了电风扇和散热器之类的东西，其他一些简单的设计选择可以帮助确保您的电路板在低温下运行并且不会过早失效。使用正确的设计工具集，可以轻松实施一些热管理最佳实践。

使用热分析设计电路板

电路板设计热分析的目标是确定何时需要风扇、散热器、额外的铜或散热孔等冷却措施以将温度保持在限制范围内。设计人员需要为其电路板中的组件选择最大可接受的温度，然后检查组件温度将如何根据其耗散功率发生变化。如果组件温度超过可接受的温度限制，则可能需要额外的冷却措施，如散热器或风扇。

首先，查看组件的热阻抗，这通常可在集成电路的组件数据表中找到。对于低功率放大器或 IC，该值可以低至 ~20 °C/W，对于功能强大的微处理器，该值可以高达 ~200 °C/W。要确定工作温度，只需将组件的功耗乘以其热阻即可。这在下面针对 SOT 封装中的示例 MOSFET 进行了定义。

根据其热阻抗定义的组件温度。

如果组件的温度过高，设计人员可以采取一些步骤来散发组件的热量，以降低 PCB 布局中组件的热阻抗：

在组件下方添加带有接地多边形浇注的散热孔

使用导热系数更高的PCB基板材料

为组件添加散热器

在元件下方包括更多的铜，例如平面层

使用风扇确保冷空气流过组件包

将电路板直接连接到具有热界面材料的金属外壳

无论您采用哪种方式，热可靠性首先是使用最好的 PCB 设计软件设计正确的 PCB 叠层。

从最佳 PCB 叠层设计开始

在电路板布局中实施任何其他冷却措施之前，请使用最好的 PCB 设计工具集来创建正确的叠层。Altium Designer 的层堆叠管理器让您可以创建正确的铜平面层和层厚度排列，以确保 PCB 基板具有高导热性。通孔可以在层堆叠管理器中定义，以跨越热组件下方的电路板背面。PCB 设计的这些基本方面对帮助消除热组件的热量大有帮助。

Altium Designer 还允许用户访问具有已知介电特性的常见叠层材料的 PCB 叠层材料库。这使设计人员可以在他们的 PCB 设计软件中完全控制他们的叠层设计，有助于高速电路板和电源系统的高电流电路板等应用。在 Altium Designer 中设计任何叠层并为您的电路板选择任何材料。

您的基板材料将是可靠性的主要决定因素。具有高导热性的合适材料有助于消除高功率组件的热量，并有助于保持组件在低温下运行。

陶瓷材料比标准 FR4 基材具有更高的导热性，非常适合在高温环境中使用。

无论您想为电路板基板使用哪种类型的材料，您都需要最好的 PCB 层堆栈管理器来创建您的电路板叠层。

Altium Designer 中的叠层设计

PCB 的标准热管理技术

定义叠层只是设计电路板的一个重要方面。一旦在您的 PCB 设计软件中定义了叠层，您就可以开始使用您的 PCB 布局工具来放置诸如地平面、覆铜、散热器、冷却风扇和散热孔之类的东西。PCB 布局软件中的 CAD 工具用于定义电路板中的这些功能。您的 PCB 库还应连接到电子供应链，以便您访问风扇和散热器的 CAD 模型。这使得在电路板布局中查找、下载和放置热管理所需的组件变得容易。

除了放置散热孔、风扇和散热器等要点之外，由于 PCB 中铜导体的固有直流电阻，PCB 中每一层的平面和走线布置都会散发热量。在确定 PCB 叠层中应如何使用铜时，直流仿真对于检查 PDN 中的某些位置是否会出现热点很重要/

使用直流电源完整性仿真来识别热点

直流电源完整性模拟器可用于发现 PDN 中具有高电流密度的区域，这将导致更高的温度。如果 PCB 中的这些热区靠近热组件，则可能需要一些额外的铜或散热器来帮助保持较低的温度。此外，可能需要重新设计 PDN 识别区域中的铜，以降低该区域的直流电阻。

作为有源组件被动冷却策略的一部分，应使用导热垫或导热膏将散热器粘合到热组件上，因为这将有助于有效地将热量从组件中带走。

PCB 中的每个有源组件都充当热源，通过在封装中和 PDN 中附近的铜中散发一些热量。如果您有大量有源组件，那么您可能需要使用风扇来冷却您的组件。

Altium Designer 中的 PDN 分析器扩展易于访问和使用。此扩展程序将获取您的 PCB 布局数据并为直流电源完整性创建高质量的模拟。

直流电源完整性仿真可以帮助您识别 PDN 中单层或同时多层的热点。

电路板热分析和 PCB 布局的最佳软件

如果没有一套正确的 PCB 布局工具，正确管理电路板布局中的热量是一项艰巨的任务。最好的 PCB 设计应用程序将不仅仅包括一组用于 PCB 布局任务的 CAD 工具。您将需要最好的叠层设计实用程序、全面的原理图编辑器、混合信号仿真功能等等。一旦您准备好将电路板送去制造，您就需要以标准文件格式为您的设计创建文档。您的 PCB 设计软件应该在单个应用程序中提供所有这些功能，而不是将所有内容分成不同的程序。

Altium Designer 是唯一一款适用于任何应用的综合性 PCB 设计应用程序，从高功率 DC 板到高速数字产品和高频 RF 系统。Altium Designer 包括一流的层堆叠管理器，允许您导入标准材料、定义您能想到的任何层排列并导入独特的材料。您还可以使用完整的布线和布局功能以及通孔和多边形设计工具。您设计可靠电路板所需的一切都包含在 Altium Designer 中。

在 Altium Designer 中设计最可靠的电路板

Altium Designer 的强大之处在于其规则驱动的设计环境。其他设计平台将您的重要设计工具分离到不同的程序中，但 Altium Designer 可让您通过单个应用程序保持高效。Altium Designer 中的 PCB 设计功能构建为在单个封装中协同工作，将帮助您在创建设计时发现错误。没有其他 PCB 设计应用程序能让您访问如此众多的电路板热分析、布局和制造功能。

Altium Designer 是专业 PCB 设计团队的理想之选，他们需要在单个应用程序中使用一整套设计工具。

Altium Designer 的 PDNA 扩展可在我们的 PCB 布局中访问，它可以帮助您发现布局中在操作过程中过热的区域。

当您需要与其他 PCB 设计师或制造商共享您的电路板设计时，您可以通过 Altium 365 平台即时共享您的设计和生产数据。

带有大型冷却风扇的多板系统的 3D 视图

完成电路板热分析并确定 PCB 布局中的潜在问题后，请使用 Altium Designer 实施最佳实践，以将电路板温度保持在限制范围内。没有其他设计应用程序在单个应用程序中提供完整的设计、共享和设计验证功能。