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使用计算机仿真模型确定PCB跟踪温度

文章：Douglas Brooks和Johannes Adam

当确定PCB轨迹的温度时，还有更多的是考虑仅考虑PCB的电流和功耗。

如果人们被问到什么确定PCB跟踪温度，最常见的响应可能是当前的，或者我²r功率耗散。虽然这些答案并不一定是错的，但它们是悲观的不完整。

我的单位²r是焦耳/秒;它是将能量提供给迹线的速率。如果我们无限期地将这种能量施加到痕迹，痕迹的温度将继续无限期地增加。它不会发生，因为有相应的冷却效果可以冷却迹线。这些效果包括通过电介质，通过空气传导，以及远离迹线的辐射。

在本文中，我们将忽略对流和辐射，并认为它们是常量。我们将专注于导致热量的东西。

导电传热的公式示于等式1：

q / t = ka（Δt）/ d（1）

在哪里：

Q / T =传热率（瓦特或焦耳/秒）
K =导热系数（W / MK）
FR4和铜约350的约0.5
Δt=温度的变化（°C =°k）
在我们的情况下，在迹线和电介质之间
A =重叠区域
d =重叠区域之间的距离

加热速率（i²R）等于冷却速率（等式1）。

我的情况进一步复杂了²r和q / t是点概念。也就是说，它们随时间变化（a）点和沿着痕迹的（b）点。它们可以随时间的时间变化，因为例如可以随时间改变几个变量电流和ΔT。它们可以沿着轨迹变化，因为例如 - 例如 - 例如 - 可以沿着迹线变化几个变量电阻率，导热性和ΔT。

以下是在痕量温度的一些不太明显的影响下偷偷摸摸。

热建模

在我们最近的书中，PCB通过和跟踪电流和温度设计指南，我们详细探讨了这些概念。在本文中，我们将根据热仿真软件热风险管理（TRM）使用简单的热仿真模型来说明概念。该模型由50×200毫米的板组成，中间的单个6英寸长的迹线。该设置是一个正常的实验室环境，环境温度为20°C。重要参数是：

迹线宽度100密耳
跟踪厚度1.3密耳（约1.0盎司。）
当前8 A.
电阻率（ρ）1.72μΩ-cm（退火铜）
TC（在平面上）0.7
TC（通过平面）0.5
板厚63密耳

对流和辐射效应是恒定的。

时间瞬态

如上所述，热效应存在于时间点。当第一次将电流施加到迹线时，该迹线需要一些时间才能达到热平衡。时帧通常为5至10分钟左右。图1说明了我们模型的热响应时间。主要框架主要通过可以通过板材料进行的快速来确定。

图1我们模型的热响应瞬态决定了通过板材可以进行热量的速度。

那么，我们痕量的温度是多少？这是我们测量它的函数。

热梯度

而且，如上所述，沿着迹线的热效应是沿着测量温度的迹线的点的函数。图2在温度稳定后，是我们模型的热图像。图形图3.显示温度作为沿左边缘沿轨迹的距离的函数。迹线显然，在末端显着冷却，而不是中间的末端。这是大多数PCB迹线的特征。

图2热梯度显示在迹线的末端冷却。

图3.沿着迹线看热梯度。

原因如下。在迹线的中间的冷却热流路径几乎局限于垂直于痕迹。但迹线末端的冷却路径覆盖超过180度。热量有一个更广泛的区域“进入”。因此，迹线末端的冷却比痕迹的中点更有效;因此，痕迹的末端是冷却器。

那么，我们痕量的温度是多少？这取决于我们测量它的位置。

板厚度

我们的型号假设厚厚的厚板63密耳。迹线的温度令人惊讶地取决于板厚，直到一点。薄板顶部的迹线比较厚的板上更热。这是因为较厚的板具有更多的材料来进行热量。因此，更厚的板更有效地冷却。但回报率递减。在某些时候，痕迹下方的材料比痕迹可以有效地利用。

图4.说明了这种效果。我们的基础温度为66.4°C等于63密耳的厚板。如果电路板厚度为32密耳，轨迹温度上升至78.9°C。但如果它是126耳朵厚，但径向温度落到60°C。超越该点的额外厚度不会给我们买得多。

图4.轨迹温度取决于板厚。

那么，我们痕量的温度是多少？这取决于板厚度。

热导体

板材料或电介质，实际上几乎所有元素都具有导热系数。这涉及材料进行热量的程度。它的单位是w / mk。对于大多数PCB电介质，对于铜约为350，该系数范围为约0.3至约0.8-对于铜。但是，具有更新的电导率系数，具有更高的电导率系数。较高的导热系数导致较低的痕量温度。

PCB材料通常存在两个这样的系数：与迹线平行的“面内”，垂直于迹线的“穿过平面”。由于我们认为，电路板材料通常具有比通过平面系数更高的面积系数，所以玻璃纤维被铺设的方向。对我们的挫败感是这些系数通常不会被材料制造商公布 - 尽管这种情况正在改善 - 或者它们以不完整的方式发表。

PCB轨迹温度对导热系数非常敏感。如果我们稍微降低系数，痕量温度会显着增加。在我们的模型中，如果我们将面内系数从0.7降低到0.6，则迹线温度从66.4°C增加至70.7°C。如果我们将贯穿平面系数降低0.5至0.4，则迹线温度从66.4°C增加至67.2°C。显然，面内系数是两者的重要性。

那么，我们痕量的温度是多少？这取决于板材的导热系数。

追踪尺寸

当我们担心痕量温度时，我们通常会处理相对宽的痕迹。在这种情况下，对痕量宽度没有多大的不确定性，相对而言。但是关于痕量厚度也不是真的。迹线厚度相对较小，沿着迹线的厚度可以常规地变化几十的米隆。结果，痕量温度沿痕迹并不均匀。我们无法安全地假设痕量厚度是名义上指定的。实际上，顶层上的电镀铜可以在板周围的不同点变化0.4至0.5密耳。目前，没有明确的方法可以确定我们追踪的实际厚度是什么。

痕量温度对痕量厚度非常敏感。例如，如果我们在我们的模型中减少了从1.3密耳到1.2密耳的痕量厚度，则迹线温度从66.4°C增加至70.8°C，增加了6.6％。

那么，我们痕量的温度是多少？这取决于实际的痕量厚度，遗憾的是通常不确定。

铜

通常，我们的电路板上有两种类型的铜：电镀（Ed或电沉积）和轧制（绘制）。电镀铜非常接近“纯”铜。它的电阻率约为1.64μΩ-cm。从铜锭卷中轧制铜，通常是铜合金或退火铜。其电阻率变化，但大约1.72μΩ-cm（我们在我们的模型中承担）。当然，铜的电阻率与痕迹的电阻直接相关 - 因此²r项。因此，如果我们从滚动的铜变为ED铜，轨迹将下降。我们模型的变化将轨迹温度降低至66.4°C至63.4°C。

那么，我们痕量的温度是多少？这取决于我们是否使用ED或轧制铜。

plane

我们今天的大多数董事会包括飞机的存在，都是用于配电原因和信号完整性的原因。平面的存在对痕量温度具有重大影响。原因是铜平面的导热率远高于板材-350 Vs 0.7W / mk。热量可以传导到平面，然后它可以在平面扩散的位置非常有效地进行。

如果我们在电路板的相对侧放置飞机，轨迹温度从66.4°C落到45.2°C。如果我们将平面12密耳放在轨迹下方，轨迹温度降至38.1°C。后一种情况被说明图5.。将此数字与图2进行比较2.特别注意热“羽流”在轨迹上方和下方有多少更宽。这说明了将热量分配在板周围的大面积中的平面的效果，以及迹线为何冷却。

图5.该平面将热量分配在板周围的较大区域。