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大陸 汽車(chē) Continental Automobile在制造從底盤(pán)和平安系統(tǒng)到動(dòng)力總成、內(nèi)部控制系統(tǒng)和輪胎的關(guān)鍵零件和系統(tǒng)范疇有多年經(jīng)歷。過(guò)去十年間的變化十分大，電子技術(shù)成為了全 球OEM供貨商和其他制造商的一個(gè)十分重要的方面。電子系統(tǒng)比以前任何時(shí)分都更普遍得被運(yùn)用，以提供更平安的汽車(chē)、更清潔的動(dòng)力、更強(qiáng)的靈敏性和更智能的 駕駛體驗(yàn)。

所 以為了從零件級(jí)開(kāi)端就確保汽車(chē)電子牢靠、平安并且設(shè)計(jì)得當(dāng)，發(fā)熱是必需在設(shè)計(jì)早期就要處理的問(wèn)題。除了IC封裝之外，最重要的熱阻就是PCB了。 Continental工程團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了3D計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）來(lái)模仿和測(cè)試PCB的散熱設(shè)計(jì)（圖1）�？b密得對(duì)主要熱活動(dòng)途徑建模能確保零件產(chǎn)生的 熱量經(jīng)過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等方式分發(fā)到環(huán)境當(dāng)中，這一點(diǎn)至關(guān)重要。理解熱接點(diǎn)熱阻能用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其愈加有效，并且能降低散熱器、資料和IC的本錢(qián)。

當(dāng) 就模仿過(guò)程建模時(shí)，能夠運(yùn)用不同的辦法來(lái)代表芯片封裝和PCB。關(guān)于芯片封裝通常有四品種型的模型（圖1）。簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方形代表具有一些資料特性及有加在其 上熱源的集總原件。2型電阻簡(jiǎn)化熱模型不含任何熱容，所以不合適用于零件溫度瞬態(tài)剖析。Delphi模型則是由數(shù)個(gè)熱阻和熱容組成，所以愈加精確并愈加適 合瞬態(tài)仿真。最后的細(xì)致模型是對(duì)零件停止明白建模，是最精確的模型，但是這也增加了仿真時(shí)間和對(duì)計(jì)算資源的請(qǐng)求。

圖1：芯片封裝的仿真建模，從最簡(jiǎn)單的到最復(fù)雜的

簡(jiǎn)單集總模型

 適用于模仿IC四周的空氣與PCB溫度

 有時(shí)關(guān)于預(yù)測(cè)箱體溫度會(huì)比擬有協(xié)助

 很難附加傳導(dǎo)率

2型電阻模型

 適用于Tj和Tc模仿預(yù)測(cè)

DELPHI模型

 適用于Tj和Tc模仿預(yù)測(cè)

 能夠添加電容

細(xì)致模型

 十分精確得模仿幾何外形與資料

 合適瞬態(tài)剖析

 是一切模型中最準(zhǔn)確的

PCB同樣運(yùn)用了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的4種模型停止仿真：集總近似、單獨(dú)層表示、“小塊”層建模、細(xì)致銅途徑和區(qū)域建模。

運(yùn)用集總近似（圖2）時(shí)，PCB運(yùn)用有各向異性熱傳導(dǎo)率（每個(gè)方向各不相同）的單獨(dú)塊來(lái)停止表示，其在X、Y軸（在平面上）和Z軸（垂直于平面）上被施加熱量。這個(gè)辦法建模和求解都很快。但是，假如有高功率損耗的外表貼裝設(shè)備，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)被疏忽。

運(yùn)用單獨(dú)層表示（圖3）時(shí)，將每一層作為有不同熱傳導(dǎo)率的單獨(dú)物體停止建模。這種辦法能更好捕捉外表貼裝設(shè)備平面內(nèi)的熱擴(kuò)散狀況，并且同樣只需求很少的運(yùn)算資源。其能夠?yàn)橐恍�沒(méi)有散熱措施（銅區(qū)域，導(dǎo)熱過(guò)孔）的IC提供不錯(cuò)的仿真結(jié)果。

關(guān)于“小塊”層建模來(lái)說(shuō)，PCB的每一層都能停止建模。每一層都被細(xì)分紅“小塊”的陣列。關(guān)于每一個(gè)小塊，經(jīng)過(guò)銅和FR-4的散布計(jì)算出其各向異性熱傳導(dǎo)率。這種辦法能提供愈加精確的結(jié)果，但建模和求解的時(shí)間更長(zhǎng)，需求的計(jì)算資源也更多。

（左邊）圖2：集總近似仿真

（右邊）圖3：?jiǎn)为?dú)層表示仿真

（左邊）圖4：“小塊”層建模

（右邊）圖5：細(xì)致3D銅途徑和區(qū)域建模

最后的細(xì)致3D銅途徑和區(qū)域建模需求運(yùn)用3D熱模仿軟件停止仿真，其能得到的細(xì)節(jié)是最多的（圖5）�！皩挕钡你~途徑和區(qū)域被作為輸入數(shù)據(jù)的一局部單獨(dú)停止表示。這種辦法得出的結(jié)果是最精確的，由于其單獨(dú)對(duì)每一層都停止了3D表示。

細(xì)致的3D模型能提供幾何外形和資料的明白表示，是最精確的。當(dāng)主要散熱途徑是經(jīng)過(guò)PCB時(shí)，應(yīng)該運(yùn)用細(xì)致PCB建模，而當(dāng)電路板不是主要散熱途徑時(shí)能夠運(yùn)用更簡(jiǎn)單的PCB建模辦法。一切這些模型都能用于PCB瞬態(tài)仿真。

仿真建模的一切方面都應(yīng)該是相同的細(xì)節(jié)等級(jí)。假如從熱接點(diǎn)到環(huán)境的丈量結(jié)果變化在10%以內(nèi)，則以為該建模是勝利的。

圖6：IC發(fā)熱仿真，兩個(gè)設(shè)計(jì)中僅頂層有區(qū)別

仿真模型所給出的細(xì)節(jié)能如何協(xié)助改良設(shè)計(jì)呢？我們來(lái)看看同一個(gè)IC的兩個(gè)不同的PCB設(shè)計(jì)，只要頂層和導(dǎo)熱過(guò)孔數(shù)量和位置有區(qū)別（圖6）。

要 建模的6層PCB接近1.6mm厚度，外層厚度67µm，內(nèi)層厚度95µm（圖7）。IC是SOT223外表貼裝4腳封裝，依照其標(biāo)稱值停止建模。15個(gè) 散熱過(guò)孔孔徑300µm，鍍銅厚度25µm，依照方形截面建模。在熱接點(diǎn)內(nèi)有1W的功率損耗，環(huán)境和散熱塊的溫度都是25°C。

在 圖6和圖7中，“不好”（左邊的頂層圖）和“好”（右邊的頂層圖）的設(shè)計(jì)能夠經(jīng)過(guò)剖析細(xì)致模型停止辨別。在第一個(gè)不好的規(guī)劃例子中，基座有15個(gè)散熱通 孔。剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)最高溫度是64.6°C，傳導(dǎo)到PCB頂層的熱量是0.69W，剩下的0.31W經(jīng)過(guò)引腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì) 流分發(fā)（圖8a）。只要0.40W經(jīng)過(guò)了15個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料（TIM）。其對(duì)散熱過(guò)孔的應(yīng)用十分低效。

第 二個(gè)不好的設(shè)計(jì)規(guī)劃例子運(yùn)用了9個(gè)導(dǎo)熱過(guò)孔，而不是15個(gè)。剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)的最高溫度達(dá)65.1°C，進(jìn)步了0.5°C。0.69W傳導(dǎo)到了PCB 頂層，剩下的0.31W經(jīng)過(guò)引腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì)流分發(fā)（圖9a）。只要0.39W經(jīng)過(guò)了9個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料 （TIM）。移除6個(gè)散熱過(guò)孔并沒(méi)有什么影響( T = 0.5°C)。

第 一個(gè)好的設(shè)計(jì)規(guī)劃例子同樣有15個(gè)散熱過(guò)孔。剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)最高溫度是45°C，0.87W經(jīng)過(guò)4腳傳導(dǎo)到了PCB的頂層。剩余的0.13W經(jīng)過(guò)引 腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì)流分發(fā)（圖10a）。0.60W經(jīng)過(guò)了15個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料（TIM）（圖10b），其對(duì)散熱過(guò)孔的 應(yīng)用比擬有效。

圖7：FloTHERM 3D熱模仿和剖析軟件中的封裝建模

（左邊）圖8：15個(gè)散熱過(guò)孔的不好的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

（右邊）圖9：9個(gè)散熱過(guò)孔的不好的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

（左邊）圖10：15個(gè)散熱過(guò)孔的好的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

（右邊）圖11：10個(gè)散熱過(guò)孔的好的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

圖12：5個(gè)散熱過(guò)孔的好的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

圖13：改良過(guò)的10個(gè)散熱過(guò)孔的規(guī)劃及散熱過(guò)孔運(yùn)用率

第 二個(gè)好的設(shè)計(jì)規(guī)劃例子有10個(gè)散熱過(guò)孔基座。剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)最高溫度是45.5°C (+0.5°C)，0.87W經(jīng)過(guò)第4腳傳導(dǎo)到了PCB的頂層。剩余的0.13W經(jīng)過(guò)引腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì)流分發(fā)（圖11a）。 0.57W經(jīng)過(guò)了10個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料（TIM）（圖11b），跟前一個(gè)好的設(shè)計(jì)效果接近，但運(yùn)用了更少的散熱過(guò)孔。

我 們?cè)賹⑸�熱過(guò)孔的數(shù)量減少到5個(gè)，剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)最高溫度是46.6°C (+1.6°C)，0.87W經(jīng)過(guò)第4腳傳導(dǎo)到了PCB的頂層。剩余的0.13W經(jīng)過(guò)引腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì)流分發(fā)（圖12a）。 0.48W經(jīng)過(guò)了5個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料（TIM）（圖12b），我們能夠得出結(jié)論，運(yùn)用更少的過(guò)孔沒(méi)有好處。

有 了這個(gè)結(jié)論以后，我們能夠進(jìn)一步改良10個(gè)導(dǎo)熱過(guò)孔的好的設(shè)計(jì)規(guī)劃。剖析結(jié)果標(biāo)明，熱接點(diǎn)最高溫度是42.9°C (-2.1°C)，0.90W經(jīng)過(guò)第4腳傳導(dǎo)到了PCB的頂層。剩余的0.10W經(jīng)過(guò)引腳1、2、3傳導(dǎo)到了熱接點(diǎn)以外或經(jīng)過(guò)對(duì)流分發(fā)（圖13a）。 0.71W經(jīng)過(guò)了10個(gè)散熱過(guò)孔傳導(dǎo)到了熱界面資料（TIM）（圖13b）。

以 上這些例子闡明了在熱學(xué)模仿中運(yùn)用3D建模來(lái)取得最佳設(shè)計(jì)的重要性。PCB頂層關(guān)于IC散熱最為有效；因而，必需避免熱源到散熱過(guò)孔之間的熱傳導(dǎo)瓶頸。散 熱過(guò)孔必需放置在間隔熱源最近的中央，如本例中的第4腳�？傮w來(lái)說(shuō)，熱學(xué)仿真標(biāo)明了導(dǎo)熱過(guò)孔的數(shù)量并沒(méi)有良好的規(guī)劃那么重要。

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