1.4　热设计仿真工具

1.4.1　PCB的热性能分析

PCB在加工、焊接和试验的过程中，要经受多次高温、高湿或低温等恶劣环境条件的考验。例如，焊接时需要经受在260℃下持续10s的考验，无铅焊接需要经受在288℃下持续2min的考验，且试验时可能要经受-55～+125℃温度的循环考验。如果PCB基材的耐热性差，在这样的条件下，它的尺寸稳定性、层间结合力和板面的平整度都会下降，在热状态下导线的抗剥力也会降低。试验和加工中的温度影响，也是PCB设计时必须考虑的热效应。

大气环境温度的变化，以及电子产品工作时，元器件和印制导线的发热都会导致产品产生温度变化。产生PCB温升的直接原因是电路功耗元器件的存在。电子元器件均不同程度地存在功耗，其发热强度随功耗的大小变化。PCB中温升的两种现象为局部温升或大面积温升和短时温升或长时温升。

许多对PCB热设计考虑不周的印制板组装件，在加工中会遇到诸如金属化孔失效、焊点开裂等问题。即使组装中没有发现问题，在整机或系统中开始时还能稳定工作，但是经过长时间连续工作后元器件发热，热量散发不好，导致元器件的温度系数变化工作不正常，这时整机或系统就会出现许多问题。当热量过大时，甚至会使元器件失效、焊点开裂、金属化孔失效或PCB基板变形等。因此，在设计PCB时必须认真进行热分析，针对各种温度变化的原因采取相应措施，降低产品温升或减小温度变化，将热应力对PCB组装件焊接和工作时的影响程度保持在组装件能进行正常焊接、产品能正常工作的范围内。

在进行PCB的热性能分析时，一般可以从以下几个方面来分析。

① 电气功耗：单位面积上的功耗和PCB上功耗的分布。

② PCB的结构：PCB的尺寸和PCB的材料。

③ PCB的安装方式：垂直安装或水平安装方式，以及密封情况和离机壳的距离。

④ 热辐射：PCB表面的辐射系数，以及PCB与相邻表面之间的温差和它们的绝对温度。

⑤ 热传导：安装散热器，其他安装结构件的传导。

⑥ 热对流：自然对流和强迫冷却对流。

上述各因素的分析是解决PCB温升问题的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的。大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

实验（实测）和计算机热仿真软件是PCB的热性能分析的有效工具。一些热仿真公司及其网站[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/