PCB热分析完整指南

PCB基板和铜导体的物理特性是决定电路板运行期间升温方式的主要因素。电路板热分析技术旨在预测电路板在运行过程中升温的时间和位置以及电路板达到的温度。分析的这一重要部分旨在确保元件级与电路板级的可靠性，并且可以影响诸多设计决策。

使用最好的印刷电路板设计软件，即可轻松设计出在运行期间具有高可靠性和低温的电路板。Altium Designer拥有最好的电路板设计工具和材料库，有助于确保可靠性。您将获享在PCB布局和叠层中实施热管理最佳实践所需的一切功能。您可以通过以下方式，深入了解电路板热分析以及如何设计具有可靠性的电路板。

Altium Designer

统一PCB设计软件包，将高级布局功能与全面的基板材料库和生产规划功能集成在一起。

电路板和元件中的材料将决定运行期间热量在电路板周围移动的方式。很遗憾，PCB基板材料是绝缘体，会阻止热量从热元件中散发出去。铜导体和平面层可帮助散热，但有些简单的设计选择会影响电路板在运行期间的平衡温度。这些设计决策主要集中在以下三个方面：

• 电路板叠层设计
• 基板材料选择
• 元件选择和布局

除了电风扇和散热器等元件之外，其他一些简单的设计选择也可以帮助确保电路板在低温下运行，不会过早产生故障。合适的设计工具集可助您轻松实施某些热管理最佳实践。

使用热分析以设计电路板

电路板设计的热分析旨在确定何时需要风扇、散热器、附加铜或热过孔等散热措施，以将温度保持在限制范围内。设计师需要为电路板中的元件选择可接受的最高温度，然后检查元件温度将如何根据其耗散功率而产生变化。如果元件温度超出可接受的温度限制，则可能需要散热器或风扇等额外散热措施。

首先，查看元件的热阻抗，您通常可以在集成电路的元件数据表中找到该值。对于低功率放大器或集成电路，该值可低至约20°C/W；对于功能强大的微处理器，该值可高达约200°C/W。要确定工作温度，只需将元件的功耗乘以其热阻抗即可。下面针对SOT封装中的示例MOSFET进行了定义。

根据其热阻抗定义的元件温度。

如果元件温度过高，设计师可以采取一些步骤来为元件散热，以降低PCB布局中元件的热阻抗：

• 在元件下方添加具有接地多边形的热过孔
• 使用导热率较高的PCB基板材料
• 向元件添加散热器
• 在平面层等元件下方加入更多铜
• 使用风扇以确保冷空气流过元件封装
• 借助热接口材料，直接将电路板附到金属外壳上

无论您采用哪一种方法，要实现热可靠性，均需使用最佳PCB设计软件来设计正确的PCB叠层。

从最佳PCB叠层设计开始

在电路板布局中实施任何其他散热措施之前，请使用最佳PCB设计工具集来创建正确的叠层。Altium Designer的层堆叠管理器可支持您创建铜平面层和层厚度的正确排列，以确保PCB基板具有高导热率。您可以在层堆叠管理器中定义通孔，使其延伸到热元件下方的电路板背面。PCB设计的这些基本方面对疏散高温元件上的热量大有帮助。

Altium Designer还支持用户访问PCB叠层材料库，其中包含常见叠层材料的已知介电特性。这使设计师能够在PCB设计软件中完全控制其叠层设计，从而为电源系统的高速电路板和高电流板等应用提供帮助。在Altium Designer中为您的电路板设计任何叠层并选择任何材料。

• 基板材料将是可靠性的主要决定因素。具有高导热率的正确材料可以帮助疏散高功率元件上的热量，并有助于保持元件在低温下运行。

  详细了解如何选择正确的基板材料。

• 陶瓷材料的导热率比标准FR4基板高得多，非常适合在高温环境下使用。

  了解有关设计陶瓷基板电路板的更多信息。

• 无论您想在电路板基板上使用哪种类型的材料，都需要最佳PCB层堆叠管理器来创建电路板叠层。

  了解有关在Altium Designer中设计层堆叠的更多信息。

Altium Designer叠层设计

PCB标准热管理技术

定义叠层只是设计电路板的一个重要方面。在PCB设计软件中定义叠层后，即可开始使用PCB布局工具，以放置接地层、敷铜、散热器、散热风扇和热过孔等元件。PCB布局软件中的CAD工具可用于定义电路板中的这些功能。PCB库还应该关联到电子供应链，以便您访问风扇和散热器的CAD模型。这使您可以轻松在电路板布局中查找、下载和放置热管理所需的元件。

除了放置热过孔、风扇和散热器等要点之外，由于PCB中铜导体固有的直流电阻，PCB中每层的平面和迹线布置也会散热。确定PCB叠层中应如何使用铜时，直流仿真对于检查PDN中的特定位置是否会出现热点非常重要。

使用直流电源完整性仿真以确定热点

直流电源完整性仿真器可用于发现PDN中具有高电流密度的区域，这些区域随后会导致更高的温度。如果PCB中的这些热区域靠近热元件，则可能需要一些额外的铜或散热器来帮助保持低温。此外，可能需要重新设计PDN中已识别区域的铜，以降低该区域的直流电阻。

• 作为针对有源元件的被动式散热策略的一部分，应使用导热焊盘或导热膏，将散热器粘合到热元件上，以有效地将热量从元件中散发出去。

  了解有关导热焊盘和导热膏的更多信息。

• PCB中的每个有源元件均充当热源，在封装以及PDN的附近铜中疏散一部分热量。如果存在大量有源元件，则可能需要使用风扇来散热元件。

  详细了解如何在PCB布局中使用主动式散热元件。

• Altium Designer中的PDN分析器扩展程序易于访问和使用。此扩展程序将获取您的PCB布局数据并为直流电源完整性创建高质量仿真。

  了解有关Altium Designer面向直流仿真的PDN分析器扩展程序的更多信息。

直流电源完整性仿真可帮助您同时识别PDN中单层或多层的热点。

面向电路板热分析和PCB布局的最佳软件

如果没有合适的PCB布局工具，妥善管理电路板布局中的热量将是一项艰巨的任务。最佳PCB设计应用将不只是包括一组面向PCB布局任务的CAD工具。您将需要最佳叠层设计实用程序、全面的原理图编辑器、混合信号仿真功能等各种功能。准备好将电路板交给制造过程后，您将需要以标准文件格式为设计创建文档。PCB设计软件应在单个应用中提供所有这些功能，而不是将所有功能分割成独立的程序。

从高功率直流电路板到高速数字产品和高频RF系统，Altium Designer是唯一一款适用于任何应用场景的综合PCB设计应用。Altium Designer包含一流的层堆叠管理器，可支持您导入标准材料、定义设想的任何层排列和导入独特材料。您还可以使用一整套布线和布局功能，包括过孔和多边形设计工具。Altium Designer中包含设计可靠电路板所需的一切功能。

在Altium Designer中设计最可靠的电路板

Altium Designer的强大之处在于其规则驱动型设计环境。其他设计平台将您的重要设计工具分割成不同的程序，但Altium Designer可以通过单个应用助您保持高效工作。Altium Designer中的PCB设计功能可在单个软件包中协同工作，并帮助您在创建设计时发现错误。任何其他PCB设计应用均无法支持您使用如此多的电路板热分析、布局和制造功能。

• Altium Designer是专业PCB设计团队的理想软件包，可在单个应用中提供一套完整的设计工具。

  了解有关Altium Designer统一设计环境的更多信息。

• 您可以在PCB布局内访问Altium Designer的PDNA扩展程序，该扩展程序可助您发现运行期间布局中的过热区域。

  了解有关Altium Designer的PDNA扩展程序的更多信息。

• 如果您需要与其他PCB设计师或制造商共享电路板设计，您可以通过Altium 365平台即时共享设计和生产数据。

  了解有关通过Altium 365共享PCB项目数据的更多信息。

使用大型散热风扇的多板系统3D视图

完成电路板热分析并确定PCB布局中的潜在问题后，即可使用Altium Designer实施最佳实践，将电路板温度保持在限制范围内。任何其他设计应用均无法在单个应用中提供完整的设计、共享和设计验证功能。

Altium 365的Altium Designer为电子行业提供了前所未有的集成度，直到现在才被归入软件开发领域，让设计师能够在家办公，并达到空前的效率水平。

我们仅仅触及了在Altium 365上使用Altium Designer可能实现的功能的皮毛。请查看产品页面或点播网络研讨会，以获取更为深入的功能描述。