大陆 汽车 Continental Automobile在制造从底盘和平安系统到动力总成、内部控制系统和轮胎的关键零件和系统范畴有多年经历。过去十年间的变化十分大，电子技术成为了全 球OEM供货商和其他制造商的一个十分重要的方面。电子系统比以前任何时分都更普遍得被运用，以提供更平安的汽车、更清洁的动力、更强的灵敏性和更智能的 驾驶体验。

所 以为了从零件级开端就确保汽车电子牢靠、平安并且设计得当，发热是必需在设计早期就要处理的问题。除了IC封装之外，最重要的热阻就是PCB了。 Continental工程团队运用了3D计算流体动力学（CFD）来模仿和测试PCB的散热设计（图1）。缜密得对主要热活动途径建模能确保零件产生的 热量经过对流、传导和辐射等方式分发到环境当中，这一点至关重要。理解热接点热阻能用于优化设计，使其愈加有效，并且能降低散热器、资料和IC的本钱。

当 就模仿过程建模时，能够运用不同的办法来代表芯片封装和PCB。关于芯片封装通常有四品种型的模型（图1）。简单的长方形代表具有一些资料特性及有加在其 上热源的集总原件。2型电阻简化热模型不含任何热容，所以不合适用于零件温度瞬态剖析。Delphi模型则是由数个热阻和热容组成，所以愈加精确并愈加适 合瞬态仿真。最后的细致模型是对零件停止明白建模，是最精确的模型，但是这也增加了仿真时间和对计算资源的请求。

图1：芯片封装的仿真建模，从最简单的到最复杂的

简单集总模型

 适用于模仿IC四周的空气与PCB温度

 有时关于预测箱体温度会比拟有协助

 很难附加传导率

2型电阻模型

 适用于Tj和Tc模仿预测

DELPHI模型

 适用于Tj和Tc模仿预测

 能够添加电容

细致模型

 十分精确得模仿几何外形与资料

 合适瞬态剖析

 是一切模型中最准确的

PCB同样运用了由简单到复杂的4种模型停止仿真：集总近似、单独层表示、“小块”层建模、细致铜途径和区域建模。

运用集总近似（图2）时，PCB运用有各向异性热传导率（每个方向各不相同）的单独块来停止表示，其在X、Y轴（在平面上）和Z轴（垂直于平面）上被施加热量。这个办法建模和求解都很快。但是，假如有高功率损耗的外表贴装设备，那么热扩散效应会被疏忽。

运用单独层表示（图3）时，将每一层作为有不同热传导率的单独物体停止建模。这种办法能更好捕捉外表贴装设备平面内的热扩散状况，并且同样只需求很少的运算资源。其能够为一些没有散热措施（铜区域，导热过孔）的IC提供不错的仿真结果。

关于“小块”层建模来说，PCB的每一层都能停止建模。每一层都被细分红“小块”的阵列。关于每一个小块，经过铜和FR-4的散布计算出其各向异性热传导率。这种办法能提供愈加精确的结果，但建模和求解的时间更长，需求的计算资源也更多。

（左边）图2：集总近似仿真

（右边）图3：单独层表示仿真

（左边）图4：“小块”层建模

（右边）图5：细致3D铜途径和区域建模

最后的细致3D铜途径和区域建模需求运用3D热模仿软件停止仿真，其能得到的细节是最多的（图5）。“宽”的铜途径和区域被作为输入数据的一局部单独停止表示。这种办法得出的结果是最精确的，由于其单独对每一层都停止了3D表示。

细致的3D模型能提供几何外形和资料的明白表示，是最精确的。当主要散热途径是经过PCB时，应该运用细致PCB建模，而当电路板不是主要散热途径时能够运用更简单的PCB建模办法。一切这些模型都能用于PCB瞬态仿真。

仿真建模的一切方面都应该是相同的细节等级。假如从热接点到环境的丈量结果变化在10%以内，则以为该建模是胜利的。

图6：IC发热仿真，两个设计中仅顶层有区别

仿真模型所给出的细节能如何协助改良设计呢？我们来看看同一个IC的两个不同的PCB设计，只要顶层和导热过孔数量和位置有区别（图6）。

要 建模的6层PCB接近1.6mm厚度，外层厚度67µm，内层厚度95µm（图7）。IC是SOT223外表贴装4脚封装，依照其标称值停止建模。15个 散热过孔孔径300µm，镀铜厚度25µm，依照方形截面建模。在热接点内有1W的功率损耗，环境和散热块的温度都是25°C。

在 图6和图7中，“不好”（左边的顶层图）和“好”（右边的顶层图）的设计能够经过剖析细致模型停止辨别。在第一个不好的规划例子中，基座有15个散热通 孔。剖析结果标明，热接点最高温度是64.6°C，传导到PCB顶层的热量是0.69W，剩下的0.31W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对 流分发（图8a）。只要0.40W经过了15个散热过孔传导到了热界面资料（TIM）。其对散热过孔的应用十分低效。

第 二个不好的设计规划例子运用了9个导热过孔，而不是15个。剖析结果标明，热接点的最高温度达65.1°C，进步了0.5°C。0.69W传导到了PCB 顶层，剩下的0.31W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发（图9a）。只要0.39W经过了9个散热过孔传导到了热界面资料 （TIM）。移除6个散热过孔并没有什么影响( T = 0.5°C)。

第 一个好的设计规划例子同样有15个散热过孔。剖析结果标明，热接点最高温度是45°C，0.87W经过4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引 脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发（图10a）。0.60W经过了15个散热过孔传导到了热界面资料（TIM）（图10b），其对散热过孔的 应用比拟有效。

图7：FloTHERM 3D热模仿和剖析软件中的封装建模

（左边）图8：15个散热过孔的不好的规划及散热过孔运用率

（右边）图9：9个散热过孔的不好的规划及散热过孔运用率

（左边）图10：15个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率

（右边）图11：10个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率

图12：5个散热过孔的好的规划及散热过孔运用率

图13：改良过的10个散热过孔的规划及散热过孔运用率

第 二个好的设计规划例子有10个散热过孔基座。剖析结果标明，热接点最高温度是45.5°C (+0.5°C)，0.87W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发（图11a）。 0.57W经过了10个散热过孔传导到了热界面资料（TIM）（图11b），跟前一个好的设计效果接近，但运用了更少的散热过孔。

我 们再将散热过孔的数量减少到5个，剖析结果标明，热接点最高温度是46.6°C (+1.6°C)，0.87W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.13W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发（图12a）。 0.48W经过了5个散热过孔传导到了热界面资料（TIM）（图12b），我们能够得出结论，运用更少的过孔没有好处。

有 了这个结论以后，我们能够进一步改良10个导热过孔的好的设计规划。剖析结果标明，热接点最高温度是42.9°C (-2.1°C)，0.90W经过第4脚传导到了PCB的顶层。剩余的0.10W经过引脚1、2、3传导到了热接点以外或经过对流分发（图13a）。 0.71W经过了10个散热过孔传导到了热界面资料（TIM）（图13b）。

以 上这些例子阐明了在热学模仿中运用3D建模来取得最佳设计的重要性。PCB顶层关于IC散热最为有效；因而，必需避免热源到散热过孔之间的热传导瓶颈。散 热过孔必需放置在间隔热源最近的中央，如本例中的第4脚。总体来说，热学仿真标明了导热过孔的数量并没有良好的规划那么重要。

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