1.4　熱設計仿真工具

1.4.1　PCB的熱性能分析

PCB在加工、焊接和試驗的過程中，要經受多次高溫、高濕或低溫等惡劣環境條件的考驗。例如，焊接時需要經受在260℃下持續10s的考驗，無鉛焊接需要經受在288℃下持續2min的考驗，且試驗時可能要經受-55～+125℃溫度的循環考驗。如果PCB基材的耐熱性差，在這樣的條件下，它的尺寸穩定性、層間結合力和板面的平整度都會下降，在熱狀態下導線的抗剝力也會降低。試驗和加工中的溫度影響，也是PCB設計時必須考慮的熱效應。

大氣環境溫度的變化，以及電子產品工作時，元器件和印制導線的發熱都會導致產品產生溫度變化。產生PCB溫升的直接原因是電路功耗元器件的存在。電子元器件均不同程度地存在功耗，其發熱強度隨功耗的大小變化。PCB中溫升的兩種現象為局部溫升或大面積溫升和短時溫升或長時溫升。

許多對PCB熱設計考慮不周的印制板組裝件，在加工中會遇到諸如金屬化孔失效、焊點開裂等問題。即使組裝中沒有發現問題，在整機或系統中開始時還能穩定工作，但是經過長時間連續工作后元器件發熱，熱量散發不好，導致元器件的溫度系數變化工作不正常，這時整機或系統就會出現許多問題。當熱量過大時，甚至會使元器件失效、焊點開裂、金屬化孔失效或PCB基板變形等。因此，在設計PCB時必須認真進行熱分析，針對各種溫度變化的原因采取相應措施，降低產品溫升或減小溫度變化，將熱應力對PCB組裝件焊接和工作時的影響程度保持在組裝件能進行正常焊接、產品能正常工作的范圍內。

在進行PCB的熱性能分析時，一般可以從以下幾個方面來分析。

① 電氣功耗：單位面積上的功耗和PCB上功耗的分布。

② PCB的結構：PCB的尺寸和PCB的材料。

③ PCB的安裝方式：垂直安裝或水平安裝方式，以及密封情況和離機殼的距離。

④ 熱輻射：PCB表面的輻射系數，以及PCB與相鄰表面之間的溫差和它們的絕對溫度。

⑤ 熱傳導：安裝散熱器，其他安裝結構件的傳導。

⑥ 熱對流：自然對流和強迫冷卻對流。

上述各因素的分析是解決PCB溫升問題的有效途徑，往往在一個產品和系統中這些因素是互相關聯和依賴的。大多數因素應根據實際情況來分析，只有針對某一具體實際情況才能比較正確地計算或估算出溫升和功耗等參數。

實驗（實測）和計算機熱仿真軟件是PCB的熱性能分析的有效工具。一些熱仿真公司及其網站[5]如下：

Advanced Thermal Solutions, Inc. www.qats.com/

ANSYS, Inc. www.ansys.com/

Autodesk, Inc. www.autodesk.com/simulation-cfd

Informative Design Partners （IDP）, www.informativedp.com/

ThermoAnalytics, Inc. www.thermoanalytics.com/