封裝/PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行熱分析

如今越來越多的封裝/ PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行熱分析。功耗是封裝/ PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，需要仔細(xì)考慮熱和電兩個(gè)領(lǐng)域的問題。為了更好地理解熱分析，我們以固體中的熱傳導(dǎo)為例，并利用兩個(gè)領(lǐng)域的對偶性。圖1和表1描述了電域與熱域之間的基本關(guān)系。

圖1. 電域與熱域之間的基本關(guān)系

表1. 電域與熱域之間的基本關(guān)系

電域與熱域之間存在一些差異，比如：

在電域，電流被限制在特定電路元件內(nèi)流動，但在熱域中，熱流通過三種熱傳導(dǎo)機(jī)制（傳導(dǎo)、對流和輻射）在三維空間從熱源散發(fā)出去。

元件之間的熱耦合比電耦合更加明顯且難以分離。

測量工具不同。對于熱分析，紅外熱像儀和熱電偶取代了示波器和電壓探頭。

當(dāng)固體或靜止流體介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)發(fā)生熱傳導(dǎo)。熱對流和熱輻射是比熱傳導(dǎo)更復(fù)雜的熱傳輸機(jī)制。熱對流發(fā)生在固體表面與不同溫度流體材料接觸時(shí)。熱輻射來自于所有溫度大于絕對零度的物質(zhì)的電磁輻射。圖2顯示了三種熱傳輸工作圖。所有上述熱傳輸機(jī)制的一維應(yīng)用的描述性等式如表2所示。

圖2.三種熱傳輸機(jī)制

表2. 不同熱傳輸模式的方程

其中：

Q為每秒傳輸?shù)臒崃?J/s)

k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(K.m))

A為物體的截面積(m2)

ΔT為溫差

Δx為材料厚度

hc 為對流傳熱系數(shù)

hr為輻射傳熱系數(shù)

T1為一側(cè)的初始溫度

T2為另一側(cè)的溫度

Ts為固體表面的溫度(oC)

Tf為流體的平均溫度(oC)

Th為熱端溫度(K)

Tc為冷端溫度 (K)

ε為物體的輻射系數(shù)（對于黑體）(0~1)

σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)=5.6703*10-8 (W/(m2K4))

SigrityTM PowerDCTM是一種經(jīng)過驗(yàn)證的電熱技術(shù)，多年來一直應(yīng)用于設(shè)計(jì)、分析及驗(yàn)收封裝和PCB。集成的電/熱協(xié)同仿真功能可幫助用戶輕松確認(rèn)設(shè)計(jì)是否符合指定的電壓和溫度閾值，而無需花費(fèi)大量精力從很多難以判斷的影響因子中進(jìn)行篩選。借助這項(xiàng)技術(shù)，您可以獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)余量并降低設(shè)計(jì)的制造成本。下圖展示了PowerDC用于電/熱協(xié)同仿真的方法：

圖3. PowerDC電/熱協(xié)同仿真方案

除了電/熱協(xié)同仿真，PowerDC還提供了其他與熱相關(guān)的功能，比如：

熱模型提?。▓D4）

熱應(yīng)力分析（圖5）

多板分析（圖6）

芯片-封裝-電路板協(xié)同仿真（圖7）

借助這些技術(shù)和功能，您可以方便快捷地通過圖示、量化來評估封裝或印刷電路板設(shè)計(jì)的熱流及熱輻射。

圖4. 封裝熱模型提取

圖5. 封裝熱應(yīng)力分析示例

圖6. 多板熱分析

圖7. 使用Voltus-PowerDC進(jìn)行芯片-封裝的熱協(xié)同仿真