基于热模型的PCB内部散热设计

电子技术的快速发展导致电子产品的计算速度、计算频率和完整性方面的即时改进。此外，随着电子产品体积的缩小，体积功率密度越来越高。此外，向厚度、轻量化、微型化的发展方向，都使电子元器件具有单位体积热值增加的特点。随着电子产品的升级换代，由于PCB中热流密度的快速增加，其可靠性受到严重影响。根据10度原理，温度每升高10摄氏度，部分元器件的部分参数就会降低一半。根据一项研究，55% 的电子设备因温度绕过组件的额定值而损坏。因此，合理的元器件布局和PCB散热一直是工程师必须考虑的主要因素。

电子产品的热设计通常分为以下几个层次：系统级、板级和封装级。板级热设计是指散热器、电子模板和PCB的热设计。本文将提供一种新的散热方法，使元器件底部的热量快速向外传导，在不影响PCB布局的情况下增加元器件的散热面积，旨在降低元器件的温度和温差。与传统的散热方法相比，这种新方法具有多种散热结构、减少PCB热应变和占用空间小等特点。由于包括顶层、底层和布线层在内的 PCB 层的多种图案，整个 PCB 的散热是各向异性的，这导致了铜含量、铜厚度、通孔和位置等多种特征。本文将根据热分析软件和元器件的物理形状和热特性，搭建简化的PCB和元器件，讨论散热片的长度、宽度和数量，并通过不同条件下的仿真数据分析得出实验结果。

热分析原理

PCB板级热分析理论基于传热理论的基本原理。传热过程具有热传导、热对流和热辐射三种不同的传热方式，其中热传导是主要的散热方式。

根据传热理论傅里叶定律，沿x方向任意厚度d的微分层，单位时间内通过d的能量与温度变化率的面积A成正比，可以用公式表示 。

在这个公式中，Q(W)是指单位时间内通过面积A的能量，也就是热流。 A (m²) 是指导电方向的截面积。 L (m) 是指传导路径的长度。 k [W/(m•°C)] 是热导率。 Δ t (°C) 是 d 两侧的温差。 x (m) 是热流的路径。减号表示与传热方向相反，温度升高。

热流密度q(W/m²)是指单位时间内通过单位面积A的热流量，见公式 。

不同材料的导热系数k不同，k值高表示导热性好。

PCB热阻理论

PCB是一种复杂的多层结构，其热传导是各向异性的。在PCB热分析方面，由于每一层的材料结构不同，网格数大，计算速度慢，模型难以建立。本文借助热分析软件使用简化模型。简化的多层PCB模型如下图1所示。

假设铜层和FR-4层的厚度相同，且每一层的间距相同。 kn是正常的热导率，kp是每层的热导率，用于描述PCB的热性能。 kn和kp的值可以用下面的公式来计算。

在这个公式中，δCu是指每个铜层的厚度； kCu 为铜的热导率，值为 388[W/(m•°C)]； kj 是每条铜布线的热导率； δF 为每个 FR-4 层的厚度； kF为FR-4的导热系数，取值为0.35[W/(m•°C)]； δPCB为整体PCB厚度； Aj 是层 j 上铜布线的总面积。 PCB热阻如图2简化模型所示。

PCB表层和底层的温度分别为t1和t2；总传递热量为 Q；总电阻为 R；各层厚度方向的热阻分别为R1、R2、R3，长度为L1、L2、L3；板的面积为A。根据图2(a)，方向假定为仅垂直，热阻可通过以下公式计算：
R1 =L1(A•k1)
R2 =L2(A•k2)
R3 =L3(A•k3)

根据图 2(b)，假定方向仅为水平方向，热阻可通过以下公式计算：
R1 =L/(A1•k1)
R2 =L/(A2 •k2)
R3 =L/(A3•k3)
1/R =1/R1 + 1/R2 + 1/R3

纵横方向的整体热阻可根据热阻串并联公式Q=(t1-t2)/R表示。

由上式可知，水平方向的整体热阻远低于垂直方向的热阻。因此，如果将铜水平埋在PCB上，将获得更好的散热效果。本文选取一块双层PCB作为分析对象。图3为PCB埋铜示意图。

仿真分析验证

• PCB 模型设计

简化模型的尺寸如下表所示。

元件放置在PCB的中心，其热源下面埋有铜。铜散热片埋在铜附近。图4为尺寸为0.5mmx30mm的仿真模型。

以2A电流的电路为仿真对象，线宽至少为0.5mm，通孔为0.5mm。与埋铜相邻的散热片最小间距应为1mm，本文中散热片的宽度定义为0.13mm、0.25mm、0.5mm、0.75mm和1mm，长度为20mm、30mm和40mm。在宽度为10mm且间距小于1mm的情况下，不同宽度的散热片数量如下表所示。

• 结果分析

根据表2可以推断，铜翅片宽度和长度的差异都会导致PCB的元件温度大幅度升高。但是，在实际应用中，应根据实际情况和铜的成本来选择合适的PCB长度和鳍片宽度。图5为元件最高温度曲线图，图6为元件最低温度曲线图。

从图中的变化趋势可以总结出，当翅片宽度小于0.5mm时，随着翅片宽度的增大，元器件的温度大大降低。宽度大于0.5mm时降温趋于平稳。因此，当翅片宽度保持在 0.5mm 时，温差最大，材料成本最低。随着散热片的增加，元件温度降低。

翅片长度在 20mm 到 30mm 范围内，温度下降幅度最大，超过 5°C。当翅片长度在 30mm 到 40mm 的范围内时，温度下降幅度很小，多于或少于 2°C。因此，采用20mm到30mm长度的翅片时，降低温差的幅度较大，成本相对较低。考虑到PCB散热片既不能太长也不能太宽，适合接宽0.5mm长30mm的散热片。

图7为无埋铜PCB仿真温度分布图，图8为长30mm宽0.5mm鳍片PCB仿真温度分布图。

由两图可知，最高气温从108.4℃降至88.6℃，降幅为18.5%。最低气温从98.3℃降至83.2℃，降幅为15.3%。根据图7和图8的温度场对比，埋铜PCB可以帮助温度场均匀分布，减少板子的温差，避免热点。埋铜PCB降低了元器件的温度，有利于提高PCB上元器件的散热，从而大大提高元器件的可靠性。

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