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印制板(PCB)热阻的仿真计算

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      电子器件安装在PCB板上,PCB是复杂的多层结构,其中导热系数高的铜层,被导热系数低的环氧玻璃夹在中间。铜的导热系数385图片1.png,环氧玻璃的导热系数0.35图片1.png。由于两者导热系数的巨大差异,PCB整体具有很强的各向异性。也就是在平面方向和法向的导热系数不同。

       通常PCB板的平面热导率图片2.png和法向热导率图片3.png,可以通过下面的计算求出。一个PCB板厚度为图片4.png,表面积为图片5.png,长度为图片6.png,宽度为图片7.png。那么各个铜层的厚度为图片8.png,那么各个环氧玻璃层的厚度为图片9.png,如下所示。

图片10.png 

1无热过孔热阻计算

那么法向热阻图片11.png,可以看作是一系列热阻的串联,如下式所示进行计算。

图片12.png

那么代入铜层和环氧玻璃层的热导率,上式变为。

图片13.png

图片14.png图片15.png分别为铜和环氧玻璃层的厚度。

那么法向热阻图片16.png定义,如下所示。

图片17.png

又有图片18.png,那么法向热导率,解得结果如下所示。

图片19.png

下面计算平面热阻图片33.png,可以把铜层和环氧层看成并联热阻。那么平面热阻定义如下。

图片20.png

那么代入铜层和环氧玻璃层的热导率,上式变为。

图片21.png

代入图片22.png图片23.png,上式转化为。

图片24.png

所以,PCB的平面等效热导率,如下所示。

图片25.png

2有热通孔热阻计算

PCB可能会带有热通孔,热通孔可以用来提高PCB厚度方向的传热效果。热通孔是先在PCB上打孔,然后在这些孔的內缘镀铜形成,这样热通孔与PCB的上下两端的铜层相连,增大了PCB法线方向的热导率。

图片26.png

对于单个热通孔来说,其热阻如下。

图片27.png

PCB上不含热通孔部分的热阻,如式所示。

图片28.png

含热通孔的PCB的法向热阻图片29.png,可以等效成图片30.png个热通孔的热阻与PCB上不含通孔区域的热阻并联。

图片31.png

含通孔的PCB的法向等效导热系数图片34.png,如下所示。

图片32.png

3算例

PCB板如下所示,其中铜层厚度图片35.png=0.07mm,环氧玻璃厚度图片36.png=1.43mm,铜的热导率385图片37.png环氧玻璃的导热系数0.35图片38.png,热通孔13个,热通孔的内径3为mm,外径为6mm。计算等效传热系数如下所示。

图片39.png

 

1) 不考虑热通孔

计算平面传热系数,如下。

图片40.png

计算法向传热系数,如下

图片41.png

可以看出PCB板的平面传热系数远大于法向传热系数,约为43.8倍。

2) 考虑热通孔

考虑热通孔和不考虑热通孔,平面传热系数是相同的。

计算法向传热系数,首先计算单个热通孔的热阻如下所示。

图片42.png

PCB上不含热通孔部分的热阻,如式所示。

图片43.png

含热通孔的PCB的法向热阻图片44.png,计算如下所示。

图片45.png

含通孔的PCB的法向等效导热系数图片46.png,计算如下所示。

图片47.png

可以看出考虑热通孔之后,法向等效导热系增大了16倍。

3) 冷板散热状态仿真计算

冷板两侧设定温度边界22,施加相应功耗如下所示。

图片48.png图片49.png 

当不考虑热通孔时,设定相应的各向异性热导率,如下所示。

图片50.png

 

计算结果如下所示。

图片51.png 

当考虑热通孔时,设定相应的各向异性热导率,如下所示。

图片52.png 

计算结果如下所示。

 图片53.png

把PCB删除后,计算结果如下。

图片54.png 

折合导热垫的热阻效应,计算结果如下。

图片55.png

图片56.png为导热垫热导率,图片57.png为导热垫的截面积,图片58.png为导热垫厚度。

代入上述数据后,图片59.png.

将上述仿真结果,总结如下表所示。


计算最高温度

考虑热通孔

31.06

不考虑热通孔

31.46

删除PCB板,并折合导热垫热阻

31.75

可以看出,主要采用冷板散热的结构形式,PCB板的热阻并不是很重要。但如果是星载舱外载荷,印制板的热阻就十分重要。

4) 星载舱外载荷散热状态

设置PCB背面辐射状态和热载荷状态,如下所示。

图片60.png图片61.png 

考虑热通孔的计算结果如下

图片62.png 

不考虑热通孔的计算结果如下


图片63.png

可以看出计算结果相差38 ℃,对于星载舱外印制板类型载荷,需要考虑热通孔作用。

4结论

介绍了PCB板的各向异性传热特性,并推导了PCB板平面及法向热导率,发现热通孔能够显著改善印制板的法向热导率。但是以冷板传热为主的散热结构,印制板的热导率计算并不是很有必要,通过对比仿真分析也说明了这一点。而星载舱外散热状态,就需要考虑印制板的热导率特性。

Workbench通用热设计
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首次发布时间:2026-04-21
最近编辑:4月前
青梅煮酒
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