缺少热分析将使设计心血面临危险

把结点与散热片连接在一起

热管理把热从半导体结扩散到附近环境中。典型情况是，热从半导体被传导到封装，然后再到热扩散器(散热器)，最终到周边环境。你的设计也许没有散热器，也即采用的是类似风扇和管线等其它技术。

但一般理论是一样的：把热从一小区域扩散向一个大区域。根据热传导的基本理论，材料的热导率与热流动的垂直区域和温度梯度成比例。

结温是半导体结的工作温度(一般以℃表示)，在这里产生的热最多。指定参考点(如结或壳体)的热阻抗是每单位功耗(一般以Ｗ表示)高于一个外部参考点(如：因脚、壳体或环境温度)的有效温升(一般以℃表示)。

热阻抗以θLetter1Letter2表示(即：θCA或θJA)。Letter1是指定参考点，且该字母一般表示该参考的初始值(即，C=壳体；J=结)。Letter2是外部参考点且具有类似的表述结构(即：A＝环境)。

粗略计算

当执行一个正式热分析时，目标是提供理解热是如何形成并如何在系统内流动的完整把握。但在开发阶段初期，一个简单的大致估算也许就足够了。

想法是，在上电后，对发热情况有个大致把握。另一条规避无意间招致缩短平均无故障时间的途径是使器件或系统过热。

一旦进行计算，就应大致了解你所用热管理方法所需的复杂程度。也即，是打算再增加一个散热器还是需热管的更新奇方案或其它一些采用热扩散、强制气流甚至新材料的混合方案？即使借助简单的类似增加热过孔等手段就可满足要求，未雨绸缪、防患未然也总比事后“付之一炬”好得多。

那如何进行粗略热分析呢？据Flomerics的电子制冷工程督导Byron Blackmore介绍，首要进行的是PCB正反两面的总体功率密度计算。“可通过计算总体功耗并除以表面积来表示它，”他说。

Blackmore还提供一个大致经验规则：若计算显示，你设计的功耗密度超过1.5W/in.2，就应考虑增加其它措施以避免使热产生连带影响。

Paisner还连带给出了一些指导数据。“决定是否采取额外举措的一个关键决定性因素是温度，”她说。85℃以内可接受，85℃到100℃可能也行、但要小心从事。但，在100℃以上，一般应采取附加措施。当然，除绝对温度外，你还应考虑随着系统条件的改变，温度会如何随之变化。

如何实现？“用每个器件在PCB可能工作的最高温度下的最大功耗并除以表面积，然后对PCB的另一面重复该计算，”Blackmore说。然后，你必须找到热阻抗(即：θJA)并乘以预期的功耗以确定高于环境温度的温升。现在，将该值与器件标称的最高温度相比。

注意：列出的θJA是就“凝滞的空气”说的，你必须把其它因素考虑在内，特别是你计划使空气在系统中流动时。一些数据手册也许给出在特定气流流动速率下器件的热阻抗(即：θJMA)。但显然，若你的设计接近这些极限值之一，你或许应考虑增加其它热管理措施，且也许还是该考虑采用仿真软件的时候了。

对给定设计来说，这些计算也许足够了，特别是若系统框架有许多自由空间时更是如此。那么，何时需要额外的热分析呢？

“理想情况是，你该做两次热分析：一次是当该项目就PCB大小和将采用的器件有大致概念后；另一次是基本布线完成后，”Rosato说。重复一遍，根据你的系统，在该布局后阶段，你应考虑利用热分析软件实施准确得多的仿真(图1)。



对布局和机架的考虑

必须尽早且经常进行热分析。一些设计师甚至打算在申请专利前考虑该问题，因为若产品因热问题而失败，则问题出在哪里？但其它因素影响系统设计。

“系统工程师必须理解材料与各自封装尺寸和种类间的互动有多么不同，”Paisner说。“类似Lord等公司与客户一道研发新材料来满足热要求。”

Paisner以苹果的Mac Air笔记本电脑为例说明产品遇到的严峻设计挑战，类似的这种设计不太可能有充足空间安放大散热器或其它冷却技术。这样，除非你打算不惜血本采用新奇的热方案，否则极小的空间限制将是很棘手的障碍。

“热通路越复杂，成本越高，”Paisner说。“你必须想方设法把热排出系统，另外，在材料和布局间，你情愿承受怎样的平衡。”

另外，从热角度，器件排布在布局过程中起着关键作用。“建议将高发热器件摆放在靠近通风孔的地方，但这种要求并非总能满足，所以，也许需要其它折中，”Rosato说。

另外，功耗很大的器件也许会产生对其它器件极易施加影响的“下流”热。另一个窍门是把发热器件紧邻着摆放并一般放在气流回路中。另外，“需要时，可采用分流器(diverter)流布气流，”Rosato指出。

从布局角度，应充分关注堆叠裸片和堆叠芯片封装器件，因更高的器件一般会妨碍热通路。另外，可直接焊装在PCB(器件和PCB间没有任何气隙)上的器件可把PCB作为散热器。另外，还可设计进热过孔，但一般情况是你应了解应在布局前想好把它们放在哪里。
Blackmore介绍，布局中一个值得仿效的作法是努力使任何冷空气的“风头”吹过发热最多的器件。把器件散布以避免给下游产生热气流同样是明智之举。最后，“高的器件和连接器可能形成影响气流向下流通的气阻，”他说。因此，对任何高的器件和连接器都应特别对待、进一步分析。