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211、985硕士，从业16年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
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本期给大家带来的是关于PCB结构热设计研究内容，希望对大家有帮助。
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1.PCB结构对散热能力的影响
前面讲到印制电路板，即PCB的基本构造，是由铜导体和绝缘体构成。实际工程中应用的比较多的是FR4，一般认为绝缘体材质不发热，主要发热体是铜导线，铜线有电阻，通电后即发热，小电流通过时，发热问题可以忽略不计，但是当通过的电流较大时，发热问题就不可以忽略。下图是铺铜FR4材料覆铜箔铜导体铜线线宽以及截面积与允许电流之间的关系图。
根据流入印制电路板的电流大小以及允许温升范围，由上图可以确定印制导体的尺寸。上图所示为多层板内导体的导体宽度（或面积）、温升与电流之间的关系曲线。例如允许的电流大小为2A、温升为10℃、铜箔厚度为35um时，导体宽度小于2mm。对外层导体，相同的导体宽度，其工作电流可大于2倍左右。
上述方法也可以确定多层板镀覆孔的镀层几何尺寸。假设镀前孔的内径为d1、d2，孔数为n1、n2，镀层厚度为θ，则镀层截面积A为
A=n1 πθ（d1-θ）+ n2 πθ（d2-θ）（㎡）
由此式计算得出的横截面积A值应大于上图所查的A值。
当导体截面积、允许电流和温度上升值一定时，可通过增加铜箔厚度或加大线宽值两个方面来满足走线的散热要求。
2.内层铜层厚度对PCB散热能力的影响
印制导线，即铜走线，具有电阻，通过电流时将产生热量和电压降。通过导线的电流越大，温度越高。导线如果长期受热后，铜箔会因粘贴强度降低而脱落。因此，控制内层铜的温度也是十分重要的。
为了便于分析，现给出一个四层PCB，分别为TOP、MID_LAYER1、MID_LAYER14、BOTTOM。TOP和BOTTOM层的铜厚度是1.5OZ，中间两层铜厚度是0.5OZ；PCB总体厚度1.6mm，尺寸为54*42mm。IC取42、49、56、57、58个代号，封装统一为QFP，尺寸以及损耗分别如下表
编号 | 尺寸 | 损耗 | 封装 | 工作温度范围 |
42 | 13.2*13.2*7.5mm | 200mw | QFN | -55~125℃ |
49 | 3.1*3.1*1.1mm | 1.1mW | QFN | -55~125℃ |
56 | 9.8*4.5*1.2mm | 100mW | QFN | -40~85℃ |
57 | 12*12*1.4mm | 0.58W | QFN | -40~125℃ |
58 | 3*1.75*1.45mm | 18.9uW | QFN | -55~125℃ |
通过FLOTHERM模块FLOEDA分别导入四层的LAYOUT图形（附件给出），等效处理后得到的铜走线以及IC分布（目前是随机分布）图形如下图所示，
环境温度为25@，此为方案一的情形，得出稳定后的IC温度分别为
编号 | 结点温度/℃ |
42 | 57.8 |
49 | 56.8 |
56 | 59.3 |
57 | 67.6 |
58 | 56.9 |
PCB温度分布情况如下：
方案二，将内层铜厚度改为（原先1.5OZ）0.5OZ和（原先0.5OZ）0.3OZ，同样的IC分布情况，得到的IC结点温度如下表，
编号 | 结点温度/℃ |
42 | 58.6 |
49 | 55.9 |
56 | 61.2 |
57 | 74.5 |
58 | 55.8 |
PCB温度分布情况如下：
由以上两组对比分析可知，
铜厚度减小，元器件结点温度升高，其他条件相同的情况下，铜厚度由1.5OZ减小到0.5OZ时，元器件57#温度升高7℃左右。
3. 边界条件对PCB散热能力的影响
为了便于分析，现给出一个四层PCB，分别为TOP、MID_LAYER1、MID_LAYER14、BOTTOM。TOP和BOTTOM层的铜厚度是1.5OZ，中间两层铜厚度是0.5OZ；PCB总体厚度1.6mm，尺寸为54*42mm，与前面模型一致。
边界条件的影响，主要是环境温度的变化和空气流速的变化影响，下面就这两个方面做具体的仿真对比分析。
环境温度的影响分析：
沿用上述PCB和IC模型，定义器件的工作环境温度范围为0~45℃，分0℃、10℃、25℃、45℃分别仿真分析，取其中一颗IC（57#）的结点温度和环境温度的关系如下：
可以看出，环境温度对元器件结点温度的影响成线性分布的趋势。
空气流速的影响分析：
假设环境温度是25℃，PCB用风冷冷却，风扇尺寸 40*40*15mm，风扇流量由0CFM~45CFM，分5CFM、15CFM、25CFM和45CFM四种情况，同上述方法可以得出，元器件57#结点温度随流量变化的关系，如下图所示，
空气流速的增大，元器件结温降低的很明显，所以实际工程中强迫风冷的散热措施，是一种很有效的解决元器件温度过高的办法。
