6 PCB板仿真 64
6.1 非導(dǎo)熱板64
6.2 導(dǎo)熱PCB板64
6.2.1 初級(jí)精度仿真 64
6.2.2 中級(jí)精度仿真:一個(gè)非等向熱導(dǎo)率塊 64
6.2.3 高精度仿真：三層板建模 64
6.2.4 中級(jí)精度和高級(jí)精度相結(jié)合 65
6.2.5 詳細(xì)仿真N層板 66
6.2.6 含銅量對(duì)熱導(dǎo)率的影響 66
6.2.7 ＥCAD-Board精度模型 67
6.3 輻射68
6.4 熱過孔68
6.5 Traces的載流量（焦耳加熱）69
6.5.1 IPC-2221 69
6.5.2 IPC-2221中的錯(cuò)誤 72
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6 PCB 板仿真
6.1 非導(dǎo)熱板
建議：具有熱功耗的PCB 板不要采用Non－Conduction。非導(dǎo)熱的PCB 板（類似壓縮塊）直接將熱量散失入相鄰的一層空氣網(wǎng)格中。根據(jù)相鄰空氣網(wǎng)格的大小來計(jì)算空氣溫度。如果網(wǎng)格比較大，則體積比熱（W/m3 ）較小且溫度不是很高。如果網(wǎng)格比較小，則體積比熱（W/m3 ）較大，同時(shí)空氣的溫度也比較高。
當(dāng)模擬強(qiáng)迫對(duì)流、網(wǎng)格分布比較均勻并且不關(guān)心局部溫度時(shí)可以采用非導(dǎo)熱的PCB 板。
6.2 導(dǎo)熱PCB 板
在Flotherm 中良好估計(jì)PCB 板的熱導(dǎo)率是精確仿真板子和元件溫度的前提。下面羅列了幾種板子仿真的方法。
6.2.1 初級(jí)精度仿真
來源：T. Kordyban, Flotherm Technical Paper T192 “Some tricks of the trade of a Flotherm user”(available from the FLOTHERM pages at http://www.flotherm.com)
如果你對(duì)板子的詳細(xì)情況不是很了解，可以將板子三個(gè)方向的熱導(dǎo)率均設(shè)為k= 10W/mk。
T. Kordyban 說：在Flotherm 中采用PCB 板子的時(shí)候，我通常使用一個(gè)非常簡單的建模方式，也就是用一個(gè)導(dǎo)熱率為10W/mk的固體塊。對(duì)于實(shí)際中非均勻熱導(dǎo)率的PCB 板而言，這種等效的熱導(dǎo)率可以很好的近似。除此之外，對(duì)于PCB 板上的元件而言，也可以將其等效成一個(gè)發(fā)熱塊。
這種方式對(duì)于等效熱功耗（“apply over board”）而言足夠精確。因?yàn)闊峁囊呀?jīng)在幾何物體上進(jìn)行等效近似，那么熱導(dǎo)率也沒有必要特別精確。如果你創(chuàng)建一個(gè)PCB 板，而不是采用一個(gè)塊來描述板子，那么設(shè)置這個(gè)PCB 板為導(dǎo)熱材料，并且熱導(dǎo)率為10W/mk。另外不要忘了在其表面特性中設(shè)置一個(gè)FR4 的表面特性。
6.2.2 中級(jí)精度仿真:一個(gè)非等向熱導(dǎo)率塊
8 塊多層板（ N =8+7=15）轉(zhuǎn)換成一塊非等向熱導(dǎo)率塊
下面是一塊采用非等向熱導(dǎo)率塊進(jìn)行描述的簡單PCB 板。垂直于板子的法向熱導(dǎo)率為Kn
板子方向上的熱導(dǎo)率為P k 。這個(gè)方法也可以通過Flotherm 中PCB 簡化模型實(shí)現(xiàn)。分為兩步：
首先設(shè)置某一層的銅層厚度，然后設(shè)置每一層的銅覆蓋量。
Flotherm 中的PCB 完成設(shè)置之后，點(diǎn)擊“Apply”后可以直接在“Summary”中進(jìn)行檢查。
注意：不必過高的估計(jì)含銅量，我們會(huì)在后面的章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)討論。
注意：我們還可以采用非等向熱導(dǎo)率的塊來替代PCB 板子。在下面這個(gè)例子中，我們將計(jì)算板子的Kp和Kh 。
6.2.3 高精度仿真：三塊板建模
Graebner指出：信號(hào)層的含銅量很少而且不連續(xù)。信號(hào)層中的含銅量無論對(duì)于PCB板法向還是平面方向的熱導(dǎo)率計(jì)算都是微不足道的。他還有一個(gè)論斷：當(dāng)熱量進(jìn)入到內(nèi)部高導(dǎo)熱率層和進(jìn)行平面方向傳遞之前，必須通過一層低導(dǎo)熱率的環(huán)氧樹脂層。這就是我們將多層板以三層建模的原因，導(dǎo)熱率稍差的上層和下層，以及導(dǎo)熱率良好的中間層。
6.2.4 中級(jí)精度和高級(jí)精度相結(jié)合
考慮到熱量傳遞受到最外層絕緣層的影響以及出于網(wǎng)格數(shù)目的考慮，可以采用兩個(gè)具有FR4熱導(dǎo)率和真實(shí)厚度的壓縮塊來描述，或者也可以采用在PCB塊的表面貼賦Rsurf-solid表面特性描述。
6.2.5 詳細(xì)仿真N層板
你可以采用FR4的塊（通常厚為1.6mm）和嵌入銅的塊（通常厚為18mu）來組合構(gòu)成PCB板?，F(xiàn)在每一層板都是等向熱導(dǎo)率并且設(shè)置相應(yīng)的熱導(dǎo)率，對(duì)于信號(hào)層 ，對(duì)于其它層 。
注意：在這種情況下，不建議對(duì)嵌入銅的塊進(jìn)行網(wǎng)格加密，因?yàn)橛锌赡軙?huì)產(chǎn)生收斂問題。當(dāng)然如果你對(duì)FR4內(nèi)的熱量感興趣，可以對(duì)FR4進(jìn)行網(wǎng)格加密。
采用導(dǎo)熱塊對(duì)PCB進(jìn)行詳細(xì)的描述
6.2.6 含銅量對(duì)熱導(dǎo)率的影響
Kordyban和Graebner都提到：信號(hào)層的熱導(dǎo)率不應(yīng)過高估計(jì)。這里舉一個(gè)例子：在下圖中顯示了銅以點(diǎn)狀形式分布在層內(nèi)，并且占層總面積的20～30％。在Flotherm中模擬PCB的布局，我們在PCB的底部應(yīng)用了一個(gè)熱源，在上部應(yīng)用了設(shè)置了T＝0。
6.2.7 ECAD-Board精度模型
原則上是可以對(duì)PCB模型進(jìn)行精確的仿真，但限于普通計(jì)算機(jī)的性能可能無法做到。
6.3 輻射
由于在PCB的表面附有一層綠色的保護(hù)層，這層保護(hù)層的發(fā)射率很高。你應(yīng)該設(shè)置其表面 ＝0.9。
6.4 熱過孔
為了提高板子法線方向的熱導(dǎo)率，板子上打了一連串的鉆孔，這些孔通過化學(xué)方式將銅環(huán)進(jìn)行填充。這些孔稱為熱過孔。
熱過孔的尺寸定義
這種形式熱過孔的平面法線方向熱導(dǎo)率可以通過一些幾何數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。如我們前面假設(shè)，熱過孔中心充滿空氣，這個(gè)計(jì)算結(jié)果是：
一些常用值羅列如下：
一排熱過孔在其平面法線方向的熱導(dǎo)率
6.5 Traces的載流量（焦耳加熱）
來源：J. Adam. Flotherm Technical Paper T341 “New correlations between electrical current and temperature rise in PCB traces” (available from the FLOTHERM pages at flotherm.com) and more at flomerics.de -> Flotherm -> Fachartikel
6.5.1 IPC-2221
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則IPC-2221（=IPC-D-275=MIL-STD-275）下圖被廣泛的用于估計(jì)由于電流所造成的溫升。使用方式分為兩個(gè)步驟：
首先：從第二個(gè)圖中trace 寬度（單位inches）和厚度（每平方英尺的銅盎司，1盎司大約 ，2盎司大約 ）確定trace的截面積 （單位平方mil）
其次：將截面積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到第一個(gè)圖，并且獲得電流和溫升數(shù)據(jù)。
IPC-2221圖表
IPC-2221圖表可以通過在Flotherm中采用一塊背面有35 銅層、前面有trace的FR4板子模擬得出。這個(gè)trace由電流I[A]和隨幾何形狀變化的電阻 [Ohm]確定。
6.5.2 IPC-2221中的錯(cuò)誤
1. 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和IPC圖表的相一致意味著IPC圖表受到PCB板含銅量的限制?，F(xiàn)在PCB的含銅量更多，所以可以傳輸更多電流，所以在現(xiàn)實(shí)中其結(jié)果趨于保守。
2. 簡單的認(rèn)為溫度隨截面 變化是不正確的。假設(shè)兩個(gè)相同的traces又相同的截面積，但是其寬度 和厚度 不同。假設(shè)這個(gè)traces有相同的電流和散熱方式，則其散熱量是不同的。PCB中熱量的傳遞主要取決于trace的所在面積，也就是寬度。水平的trace（左）比垂直的trace（右）具有更好的冷卻性能，在相同的溫升情況下它可以攜帶更多的熱功耗和電流。
采用IPC-2221方法，兩個(gè)trace有相同的截面積，但他們在相同電流情況下溫度不同，左邊的溫度更低。
對(duì)于PCB具有很多層和銅含量時(shí)電流－溫度曲線必須在一個(gè)獨(dú)立的基板上進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于FR4基板：（ 單位為 ）
Flotherm資料下載: 使用Flotherm進(jìn)行電子散熱仿真過程中涉及的物理學(xué)原理.pdf
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