为什么PCB热设计很重要?

PCB性能的很多方面是在详细设计期间确定的,例如:出于时序原因而让一条走线具有特定长度。元器 件之间的温度差也会影响时序问题。PCB设计的热问题主要是在元器件(即芯片封装)选择和布局阶段 “锁定”。这之后,如果发现元器件运行温度过高,只能采取补救措施。我们倡导从系统或外壳层次开 始的由上至下设计方法 [参考文献1],以便了解电子设备的热环境,这对气冷电子设备非常重要。

早期设计中关于气流均匀性的假设若在后期被证明无法实现,将对产品的商业可行性带来灾难性影响,并最 终失去市场机会。

优化热布局

“尽早开始并从简单的做起”,这是金科玉律。负责产品热完整性的机械工程师应当向电子工程师提供 尽可能多的有用反馈,以便指导设计,优化其所做选择的热影响,尤其是在早期设计中。

从机械工程师的角度看,在PCB层次,这意味着帮助选择封装和最佳元器件位置,以利用系统气流进行 散热。当然,布局和封装选择主要取决于电子性能与成本考虑,但是,应当尽可能弄清这些选择会给热 性能带来怎样的后果,因为温度和散热同样会影响性能与成本。

1: 开始预布置和预布局

在电子设计流程中,完成布局之前有大量工作可以做。事实上,在此之前,就需要将热考虑对设计的任 何影响计算在内。利用外壳的简单表示就可以完成大量工作 [参考文献1],提供有关电路板上气流分布 的信息。

首先可以简单地将电路板的总功率分配到电路板的整个表面。由此将获得一幅温度图,它会指示出任何 因为气流分布不当而引起的高温区域,外壳级气流应当在PCB设计之前进行优化。对此,您可以将板视 作一个具有5Wm-1K-1到10Wm-1K-1各向同性热导率的模块。这个阶段获得的结果对所选的值不太敏感。

需要注意的是:元器件会局部性地将热量注入电路板中,因此元器件下方的电路板中的热通量密度会高 于电路板的平均值。于是,局部板温会高于仿真预测值,因此不应使用这一阶段得出的板温来估算元器 件温度。要估算元器件温度,必须优化模型。

如果任一点的板温接近元器件外壳最高温度,那么一旦用离散方式表示元器件热源,就极有可能超过此 限值。例如,若已知一个或多个元器件需要散热器,这种情况就可能出现。

2: 获取元器件功率(猜测)

为此,对于设计中将会使用的主要散热元器件,必须知道其功率预算的最佳猜测值,以及其封装的大致 尺寸,这一点非常重要。这样您就可以在仿真中将其描述为封装热源,并把其余热量均匀分配到电路板表面。

在研究和选择元件(于项目原理图捕捉阶段开始时进行)之前,系统架构师对元器件已经有所了解,比 如:需要哪些关键元器件、哪些元器件需要靠近放置、元器件尺寸会是多少等。例如,系统架构师可能 打算使用为另一个产品选择的一些元器件,或者继续使用上一代产品所用的元器件。

3: 选择封装之前使用三维元器件模型

尽管比较困难,但在最终选定元器件之前,尝试在仿真中包含某种形式的三维元器件模型是很重要的。 通过在到达这一阶段之前反馈热结果,可以增加将热性能作为封装选择标准的一部分加以考虑的机会。 某些IC提供多种封装样式,但从热角度看,并非所有封装样式的性能都一样好。因此,通过选择适当的 封装,后期可能不需要使用散热器。

元器件温度(壳温或结温,取决于制造商如何指定元器件规格),是表明设计在热方面是否合格的关键 指标。然而,在此阶段,我们只能获得元器件温度的粗略估算值。

在没有任何其他信息的情况下,可以使用的最简单的三维元器件模型是导热块。FloTHERM包括定制的材 料属性,用以得出不同封装样式的预计壳温。

图1:FloTHERM中的集总封装资料

塑封元器件建议使用5Wm-1K-1至10Wm-1K-1的热导率 [参考文献2],陶瓷元器件建议使用15Wm-1K-1。

5Wm-1K-1显然对应最坏情况下的壳温数值。

通过以三维方式表示封装主体,便可考虑元器件对局部气流以及任何下游元器件的影响。较大元器件会 阻挡冷却空气流动到较小、较低的元器件;元器件背后的尾流区是同样的空气不断循环流动的区域,因 而该区域中的所有元器件可能都很热。一个管用的提示是将所有矩形元器件对齐,使其长边与主要气体 流动方向平行。这不仅会降低总体压降(因为气流遇到的阻碍更少),而且会缩小尾流区,使其对下游 元器件的影响减至最小。

4: 反馈热结果

在这一阶段,您可以开始将有关PCB性能的信息反馈给PCB设计团队。虽然这个阶段的仿真相对粗糙, 但主要仿真结果(即电路板上的气流分布和相应的板温图)是非常强大的工具,您可以利用它来显示必 须处理的可用冷却空气情况,以及对元器件温度可能造成的影响。

值得强调的是,这些标称元器件壳温值会发生变化,因为它们是基于以下条件:

■ 假定的布局

■ 非常粗略的功率估算

■ 封装选择的不确定性

■ PCB中未知的叠层和铜层分布

■ 散热器初步尺寸和设计(若已经知道是必需的)

但即便如此,它仍然是一个有用的起点,既有助于了解系统性能,又提供了一个可随着设计的展开不断 进行优化的模型。该模型为研究元器件布置对元器件及其相邻元器件的温度影响提供了一个非常有用的 平台,藉此可以轻松完成调整,模型的重新运行通常也只需要几分钟,而不是数小时。

结果会在一定程度上反映哪些元器件(若有)可能需要某种形式的散热器,接下来可以对此进行研究。 另外,一旦获知关于封装选择的更多信息,有些元器件的模型可能需要进一步优化,因此这种练习有助 于在开发热模型时安排应在哪些方面优先投入精力。

5: 尽早确定散热器尺寸

对于任何可能过热的元器件,都应当研究能否通过使用散热器来有效地降低元器件温度。如果气流方向主要与封装的一侧垂直,则板型(或挤压)鳍片散热器可能最合适。否则,应当考虑钉状鳍片散热器。

FloTHERM和FloTHERM XT提供了散热器SmartPart,可利用它以参数方式定义散热器几何形状。首先将散 热器的基座尺寸设为与封装相同,然后研究不同的鳍片数量、鳍片高度和厚度的散热效果。这样做的目 的是确定能否将散热器简单地安装在封装顶部,或者是否需要更大的散热器。对于后一种情况,将需要 知道用于机械安装的电路板基板面(参见图2),因为此信息需要尽早反馈给PCB设计团队。若如此, 则必须选择一个能提供充分散热的现有散热器,或者在电路板布线之前设计一个定制散热器,因为散热 器的机械安装可能会影响元器件布置。

散热器本质上是面积扩展装置,通过提供更大的表面积供空气流过,来增加与空气的对流热传递。散热 器一般由铝合金制成,以便热量能够有效扩散到整个基座并达到鳍片。基座本身充当散热器,因此有助 于降低元器件温度。首先使用较短且间距较宽的鳍片,以便最大限度减少对气流的阻碍以及散热器引起 的尾流,进而降低对下游元器件散热的影响。

图2:延伸到封装主体之外且带有定位销的散热器

如果结果表明,元器件可以利用安装于自身的相对较小的散热器来散热,这项活动就可以到此为止,但 后期还需要重新审视。

使用散热器时,必须考虑封装与散热器之间的热学界面材料 (TIM) 的热阻。最终选择取决于很多因素, 但在设计早期中,使用厚度约 0.2mm、热导率约1.0 Wm-1K-1的标准导热垫是比较保险的选择。

6: 精确表示元器件

反馈信息给PCB设计团队以帮助其选择和布置元器件之后,还可以指导其使用相关度最高的热指标来比较候选元器件的热性能。

对于没有散热器的元器件,用来比较的相关度最高的热指标是结-电路板热阻 [参考文献3]。对于预期会 安装散热器的元器件,相关度最高的指标是结-壳热阻,因为该热阻通常是针对与散热器接触的表面定 义的 [参考文献4]。对于TO型封装,该表面一般焊接到PCB。若这两个指标均可用,则可以创建一个JEDEC标准的双热阻模型(参见图3),并重新运行热模型以获得第一个结温估算值 [参考文献5]。

图3:用于设计的封装热信息的保真度层级

预测精度更高一级的模型是DELPHI模型 [参考文献6]。对于散热器选择,DELPHI模型优于双热阻模型的 地方在于,前者的上表面细分为温度不同的内部区域和外部区域,因而可用来初步研究散热器基座厚度 的影响。然而,对于需要散热器且热特性极为关键的封装,建议使用详细模型。

此外,最好在互联网上搜索元器件产品说明,看看是否有任何可用的FloTHERM模型;若没有,可向供 应商申请FloTHERM模型。有时候,获得这些模型需要遵守保密协议 (NDA)。FloTHERM作为使用最广泛 的电子散热CFD软件,许多领先的IC封装供应商都为其提供热模型。这也是FloTHERM PACK真正体现 其价值的地方。大约70% 的FloTHERM PACK用户是系统集成商,他们只需要知道封装样式、主体尺寸 和引线数量,就能利用FloTHERM PACK的JEDEC封装向导生成有代表性的封装热模型。FloTHERM PACK还为您提供了所有输入数据的完全访问权,因此,只要获得关于封装的更多信息,您就能立即更新模 型,并生成双热阻模型、DELPHI模型 [6] 和详细模型。因此,随着设计的展开,您可以轻松地优化元器 件热模型。

7: 不要忽略电路板细节

一旦获得元器件封装和热源估算信息,并将元器件作为三维导热块建模,就可以开始研究结果对电路板热导率的敏感度。因此,这项活动可以而且确实应当与元器件模型优化同时进行。

在实际应用中,PCB热导率并不存在单一值。PCB由铜和介电材料组成,并且铜的导热性能高出大约1000 倍,因此,电介质在各层之间和各条走线之间形成了热隔离。在对电路板进行布线之前的早期设计 中,可以使用一个简单的并在一定范围内(比如5Wm-1K-1到15Wm-1K-1)变化的各向同性热导率值,来 了解PCB热性能对仿真结果有多大影响。在详细设计期间,需要对电路板的这一热表示加以改进。

一旦大致确定布置,PCB设计团队的下一步工作便是原理图捕捉和电气仿真(例如时序)。在原理图捕捉 之后、电路板布线之前可以获得的最有用的信息是电路板叠层。

估算电路板可能会有多少信号层和电源/接地层很重要。PCB表面上的走线会在局部将热量从封装互连 (引线或焊球)扩散出去,而埋入的电源和接地层则会在宏观上提高层内热导率。

从热角度看,这些含铜层对PCB性能的贡献受其厚度影响。最常见的厚度是 0.5 Oz或1.0 Oz铜。“1 Oz” 表示 将1盎司的铜平铺到1平方英尺面积上所形成的厚度 [参考文献7],相当于1.37密耳(千分之一英寸)或 0.0347mm。

一旦获得PCB中各类型(信号或电源/接地)的层数估算值,便可升级PCB模型以包括上述各个层。布 线之前,需要估算各个非介电层的覆铜厚度和百分比。电源和接地层应使用1 Oz厚度,走线层应使用 0.5 Oz厚度,覆铜百分比分别假定为80% 和20%。电介质对面积平均热导率(包括层内和层间)几乎无 影响,因此可以认为这些层的热导率分别为铜热导率的80% 和20%。

介电层的最小厚度取决于任一面上为补偿热膨胀系数差异而需要的铜厚度 [参考文献8],然后便可计算 板的总厚度。

对于小型、高功率、管脚数较少的封装,电路板上走线的长度规模与封装的数量级相似。因此,在EDA系统提供该信息之前,必须采用与封装相似的详细程度对这些特征进行建模。例如,在对封装进行详细 建模后,应当表示出焊接TO封装的铜焊盘以及封装的局部走线。对焊盘下方用来将热量导向埋入接地 层的所有热过孔进行建模时,也应采取类似的做法。

8: 从EDA系统导入数据

FloTHERM和FloTHERM XT具有全面的EDA接口功能,以便从所有主要EDA系统导入数据,包括:MentorPADS、Mentor Boardstation、Mentor Xpedition Enterprise、Cadence Allegro和Zuken CR5000。

从EDA系统导入元器件布置数据可确保热设计工具内的布置正确;布局一旦有变化,即应重新导入。利 用FloTHERM XT的FloEDA Bridge模块,一键即可重新导入PCB设计数据更新,关于用户如何筛选此数据 的所有现有设置都会保留。

详细PCB建模涉及从EDA系统导入叠层、走线层布线、过孔分布以及电源和接地层上的铜皮形状。

9: 在设计流程中前移PCB热设计

本着持续改进的精神,应当努力在下一个项目的设计流程中将热设计考虑前移。

在某种程度上,这将使机械角度的热设计与电气角度的热设计同步进行。顺利的话,这两种方法可相辅 相成,使得热设计完成得更快、更为可靠,结果也会优于分布进行热设计的情形。关键是不同专业对各 流程可以且应当完成哪些工作达成共识,这也正是本文的意图。

10: 与EDA流程协同设计

最终目标是与EDA流程协同进行热设计。近年来,PCB走线的电流密度和电源平面层上不同区域之间的 直通颈缩不断增加,使得焦耳(或欧姆)加热成为PCB设计中一个越来越严重的问题,对电路板的电气 性能和热性能都有影响。为了帮助电子设计人员应对这个问题,Mentor Graphics在布局和布线工具集之 外推出了HyperLynx Thermal和HyperLynx PI(用于电源完整性)等精密分析工具。

除了有源元器件耗散的热量之外,焦耳加热会在PCB本身中产生额外的热源。FloTHERM可以逐层导入 详细的热源图并叠加到PCB的详细模型上,从而正确地计入这种热源。

FloTHERM等CFD软件可以极为精确地表示PCB的对流散热以及与周围物体的辐射热交换。结束整个系 统的热设计之前,建议将PCB中焦耳加热所产生的热源从HyperLynx PI导入FloTHERM或FloTHERM XT。

图4:设计期间的CFD结果与利用红外摄像机测量的实际PCB的对比