论文研究的主要工作

本文主要针对实际中遇到的电子设备的PCB板，进行热特性研究和分析，以确定该PCB板的热特性，同时，评估了五种因素对PCB热特性的影响。具体可细化为：

1.建立PCB热仿真模型，仿真得到PCB在稳态工况下温度场。

2.仿真环境温度对温度场的影响。

3.仿真元器件放置位置对温度场的影响。

4.仿真在待机、稳态、满载情况下对温度场的影响。

5.仿真不同封装参数对温度场的影响。

6.仿真内层铜皮厚度对温度场的影响。

7.仿真热过孔对温度场的影响。

8.比较不同因素对PCB温度场的影响，得出结论，提出改善散热的建议。

对PCB热设计方案进行讨论，循序渐进的为PCB提供合理的散热方案。

第二章介绍了传热学基本原理及传热控制方程；在CFD数值计算中常用的计算方法有限体积法；最后介绍了热分析软件THERM及热分析的一般步骤；本章介绍了热分析的一般方法和原理，为后文进行有效热分析提供了理论依据。

本次研究的目的在于对复杂PCB的热设计提供必要的热设计参考数据，所以为保证PCB模型的合理性，在保证其热特性精度的条件下进行合理的简化。本次设计使用了三星电子官方S5PV210开发板作为仿真对象。

第三章介绍了复杂PCB的热分析建模过程，包括PCB母板建模、IC建模、设置参数及边界条件、划分网格和求解计算。分析了当PCB满载时的热特性。为后续研究提供了可靠模型和基本参考特性。

第四章从环境温度、PCB内部热源、PCB结构三个方面对PCB的热特性进行仿真和分析。得到以下结论：

（1） 环境温度对PCB热特性有较大影响；

（2） IC布置对PCB热特性有较大影响，热设计时应合理布局IC；

（3） IC功率对PCB热特性有较大影响，热设计时应尽可能使用低功率器件，降低PCB总功率；

（4） IC封装材料对PCB热特性有一定影响，当封装材料的导热率达到一定值后，对其影响有限；

（5） 内层铜皮厚度对PCB热特性有一定影响，增大内层铜皮厚度能有效增强PCB平面方向导热能力，提高散热效率；

（6） 热过孔对PCB热特性有一定影响，热过孔能有效增加PCB法线方向的导热能力，提高散热效率。

通过本章对PCB热特性的分析，可指导对PCB进行有效的热设计优化，具有一定的参考价值。

本文通过对复杂PCB的热流场分析，确定影响PCB结点温度的几大方面，针对这些问题进行热设计，优化PCB散热效率，得出最佳热设计方案。经过初步的分析，得出以下结论：

1、保持芯片及PCB参数不变，当环境温度在-30℃~125℃时，PCB最高结点温度与环境温度呈线性关系；

2、保持散热条件及参数不变，芯片布置方式对PCB最高结点温度有较大影响，当芯片放置在PCB下方时，可得到更好的散热，因此在PCB热设计时应该注意此现象，将高热流密度的芯片尽可能的放置在PCB下方；

3、芯片间距过短易产生复杂的热耦合现象，使芯片结点温度升高，同时气流不易通过，不利于散热，在热设计时应该对芯片进行合理分布，不可过于紧密；

4、芯片的功率对PCB结点温度有较大影响，PCB最高结点温度随芯片功率增加而增加，呈线性关系；

5、芯片的封装材料对PCB结点温度有一定影响，随着封装材料导热率的增加，PCB最高结点温度逐渐降低，但当导热率达到138W/(mK)后，PCB最高结点温度基本不受封装材料的导热率的影响，因此，在热设计时，应在满足工艺条件的情况下，选择导热率为138W(mK)左右的封装材料即可，无需过度追求封装材料的高导热率；

6、PCB内层铜皮厚度对PCB最高结点温度有一定影响，这是由于铜的导热率较高，增加内层铜皮厚度能增强PCB平面方向的导热能力，使PCB平面上的温度梯度降低，有利于散热，但当内层铜皮厚度超过1.5OZ时，对PCB结点温度的影响逐渐降低；热设计时，应将内层铜皮厚度增至1.5OZ，无需更多；

7、热过孔对PCB最高结点温度有一定影响，热过孔孔壁覆铜，能增强PCB法线方向导热能力，使芯片热量通过热过孔导出，降低最高结点温度，热过孔数量越多，降温效果越明显；在热设计时，应该对大功率器件增加尽可能多的热过孔；

8、由于散热器紧贴芯片顶面，使芯片产生的热量通过散热器传递，而散热器有较大的表面积，更适合自然对流散热，因此散热器对芯片散热有较好的效果，可对热流密度较大的芯片安装合适的散热器。