PCB的热分析与热

PCB的热设计

热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识，讨论了PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施。

1、热设计的重要性电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。

2、印制电路板温升因素分析引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。印制板中温升的2种现象：（1）局部温升或大面积温升；（2）短时温升或长时间温升。在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。 2.1电气功耗（1）分析单位面积上的功耗；（2）分析PCB板上功耗的分布。 2.2印制板的结构（1）印制板的尺寸；（2）印制板的材料。 2.3印制板的安装方式（1）安装方式（如垂直安装，水平安装）；（2）密封情况和离机壳的距离。2.4热辐射（1）印制板表面的辐射系数；（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度； 2.5热传导（1）安装散热器；（2）其他安装结构件的传导。 2.6热对流（1）自然对流；（2）强迫冷却对流。从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

3、热设计原则 3.1选材（1）印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125℃（常用的典型值。根据选用的板材可能不同）。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素，热点温度应不超过125℃。尽可能选择更厚一点的覆

铜箔。（2）特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。（3）采用多层板结构有助于PCB热设计。 3.2保证散热通道畅通（1）充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道,保证热量顺利导出PCB。（2）散热通孔的设置设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。如在LCCC器件的焊盘上设立导通孔。在电路生产过程中焊锡将其填充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜泊散发掉。在一些特定情况下，专门设计和采用了有散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。（3）导热材料的使用为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料，提高热传导效率。（4）工艺方法对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。 3.3元器件的排布要求（1）对PCB进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制；（2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上；（3）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区；（4）使传热通路尽可能的短；（5）使传热横截面尽可能的大；（6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离；（7）（液态介质）电容器的最好远离热源；（8）注意使强迫通风与自然通风方向一致；

（9）附加子板、器件风道与通风方向一致；（10）尽可能地使进气与排气有足够的距离；（11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上；（12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅；（13）（小信号放大器外围器件）尽量采用温漂小的器件；（14）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。 3.4布线时的要求（1）板材选择（合理设计印制板结构）；（2）布线规则；（3）根据器件电流密度规划最小通道宽度；特别注意接合点处通道布线；（4）大电流线条尽量表面化；在不能满足要求的条件下，可考虑采用汇流排；（5）要尽量降低接触面的热阻。为此应加大

热传导面积；接触平面应平整、光滑，必要时可涂覆导热硅脂；（6）热应力点考虑应力平衡措施并加粗线条；（7）散热铜皮需采用消热应力的开窗法，利用散热阻焊适当开窗；（8）视可能采用表面大面积铜箔；（9）对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,以充分利用安装螺栓和印制板表面的铜箔进行散热；（10）尽可能多安放金属化过孔, 且孔径、盘面尽量大，依靠过孔帮助散热；

（11）器件散热补充手段；（12）采用表面大面积铜箔可保证的情况下，出于经济性考虑可不采用附加散热器的方法；（13）根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来计算合适的表面散热铜箔面积（保证原则tj≤（0.5～0.8）tjmax）。

4、热仿真（热分析）热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能，帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算PCB的平均温度，复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼，热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性。在许多应用中重量和物理尺寸非常重要，如果元件的实际功耗很小，可能会导致设计的安全系数过高，从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析，与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低，也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高，此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本，而且延长了制造时间，在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素，因此PCB

现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热)，以使元件在较低的温度范围内工作。热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性，这在所有PCB设计中都可能发生，花费一些功夫准确确定元件功耗，再进行PCB热分析，这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。应使用准确的热模型和元件功耗，以免降低PCB设计效率。

4.1元件功耗计算准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程，PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损耗功率，热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中。设计人员先猜测一个元件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值，并将元件功耗输入到细化的热模型中，计算出PCB和相关元件“结点”

(或热点)的温度，第二步使用新温度重新计算元件功耗，算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入。在理想的情况下，该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止。然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力，他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB 的总功耗，将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量。热分析可预测出平均环境温度，使设计人员用于计算元器件的功耗，通过进一步重复计算元件温度知道是否还需要作其他工作。一般电子元器件制造商都提供有元器件规格，包括正常工作的最高温度。元件性能通常会受环境温度或元件内部温度的影响，消费类电子产品常采用塑封元件，其工作最高温度是85℃；而军用产品常使用陶瓷件，工作最高温度为125 ℃，额定最高温度通常是105℃。PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。计算元件温度最准确的方法是作瞬态热分析，但是确定元件的瞬时功耗十分困难。一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析。PCB受到各种类型热量的影响，可以应用的典型热边界条件包括：前后表面发出的自然或强制对流；前后表面发出的热辐射；从PCB边缘到设备外壳的传导；通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导；从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导；2个PCB夹层之间散热器的传导。目前有很多种形式的热模拟工具，基本热模型及分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具，以及用于详细PCB和元件建模的PCB应用工具。 4.2基本过程在不影响并有助于提高系统电性能指标的前提下，依据提供的成熟经验，加速PCB热设计。在系统及热分析预估及器件级热设计的基础上，通过板级热仿真预估热设计结果，寻找设计缺陷，并提供系统级解决技术方案或变更器件级解决技术方案。通过热性能测量对热设计的效果进行检验，对技术方案的适用性和有效性进行评价；通过预估-设计-测量-反馈循环不断的实践流程，修正并积累热仿真模型，加快热仿真速度，提高热仿真精度；补充PCB热设计经验。 4.3板级热仿真板级热仿真软件可以在三维结构模型中模拟PCB的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,也可以模拟强迫散热、真空状态或自然散热等。目前可做板级热分析比较典型的软件有Flotherm，Betasoft 等等。

ANSYS非稳态热分析及实例详解解析

本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识， 主要包括非稳态热分析的应用、 非稳态热分析的基本步骤。 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 丄本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析 7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。 根据物体温度随着时间的推移而变化的 特性可本章要点 非稳态热分析单兀、

以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。 ANSYS 11.0 及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷 - 时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。

电子产品热设计、热分析及热测试

电子产品热设计、热分析及热测试培训 各有关单位： 随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。因此，学习和了解目前最新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。所以，我协会决定分期组织召开“电子产品热设计、热分析及热测试讲座”。现具体事宜通知如下 【主办单位】中国电子标准协会培训中心 【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司 一、课程提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。 一、热设计定义、热设计内容、传热方法 1 热设计定义 2 热设计内容 3 传热方法简介 二、各种元器件典型的冷却方法 1 哪些元器件需要热设计

2 冷却方法的选择 3.常用的冷却方法及冷却极限各种元器件典型的冷却方法 4. 冷却方法代号 5 各种冷却方法的比较 三、自然冷却散热器设计方法 1 自然冷却散热器设计条件 2 热路图 3 散热器设计计算 4 多个功率器件共用一个散热器的设计计算 5 正确选用散热器 6 自然冷却散热器结温的计算 7 散热器种类及特点 8 设计与选用散热器禁忌 四、强迫风冷设计方法 1 强迫风冷设计基本原则 2 介绍几种冷却方法 3. 强迫风冷用风机 4. 风机的选择与安装原则 5 冷却剂流通路径的设计 6 气流倒流问题及风道的考虑 7 强迫风冷设计举例(6个示例) 五、液体冷却设计方法

ANSYS热分析指南与经典案例

第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流

热分析的基本参数与概念

R E P O R T Executive Summary

R E P O R T Table of Contents 1 Introduction .............................................................................................................. 3 1.1 基本参数介绍 . (3) 2 Activities ................................................................................................................... 4 2.1 Theta-ja (θja)Junction-to-Ambient (4) 2.1.1 测量方法 .................................................................................................... 4 2.1.2 节温计算公式 (6) 2.2 Theta-jc (θjc) Junction-to-Case (6) 2.2.1 测量方法 .................................................................................................... 6 2.2.2 节温计算公式 ............................................................................................. 6 2.2.3 θjc 与θja 的关系 .. (7) 2.3 Theta-jb (θjb) Junction-to-Board (7) 2.3.1 测量方法 .................................................................................................... 8 2.3.2 节温计算公式 ............................................................................................. 8 2.3.3 θjc 与θja 的关系 .. (8) 2.4 Ψ的含义 (9) 2.4.1 Ψjb ............................................................................................................. 9 2.4.2 Ψjc . (9) 2.5 各种封装的散热效果 (9) 2.5.1 TI PowerPAD 封装的使用注意事项 (10) 3 Results ................................................................................................................... 12 3.1 关于θja θjc ΨJB , ΨJT 使用问题 (12) 4 Discussion .............................................................................................................. 12 4.1 热仿真软件的使用 (12) 5 Conclusions ........................................................................................................... 12 5.1 ............................................................................................................................. 12 6 Abbreviations, Definitiones, Glossary ..................................................................... 13 6.1 ............................................................................................................................. 13 7 Version . (13)

abaqus热分析

Abaqus： ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。 模块： ABAQUS/?ba:kjus/有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 功能：

静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题 准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟 海洋工程结构分析： 对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟 对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 水下冲击分析： 对冲击载荷作用下的水下结构进行分析 柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦

热分析工程师必看—热分析思路流程.

如果遵从热设计的基本原则进行设计，经过热设计之后的电子系统性能更好、可靠性更高，并且使用寿命更长。 作者： Byron Blackmore, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门FloTHERM.PCB产品经理，在加拿大Technical University of Nova Scotia获得机械工程学士学会，在加拿大University of Alberta获得传热工程硕士学位。 Robin Bornoff, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门FloTHERM和FloVENT产品市场经理，1992年在英国Brunel University获得机械工程学士学位，并于1995年继续攻读了该校计算流体力学博士学位。个人博客： https://www.wendangku.net/doc/256160086.html,/robinbornoff/ John Parry, Mentor Graphics Corp. Mechanical Analysis 部门研发经理，他在英国University of Leeds获取化学工程一级荣誉学士学位，之后在英国Birmingham University 获取博士学位。个人博客：https://www.wendangku.net/doc/256160086.html,/johnparry/ 热设计方面有两条基本原则：尽早尽简。由元件结点至环境的热流通路（译注：也称热阻）决定了元件的温度，其中环境通常是指局部环

境的空气温度。因此元件温度的控制属于系统设计层面的问题。在产品热设计过程中工程师应采用自上而下的方法来提升产品的可靠性 (见下表)。 手工计算 热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其它现象中。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算结果，并且使用时候很容易出现错误，所以通常情况下我们建议使用一 些经验的数据1。 一块0.2m水平放置的平板，在自然对流情况下其与空气的对流换热系数大约为5W m-2K，在空气流速3 ms-1强迫对流情况下其与空

ANSYS稳态热分析的基本过程和实例

ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤： ?前处理：建模、材料和网格 ?分析求解：施加载荷计算 ?后处理：查看结果 1、建模 ①、确定jobname、title、unit； ②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项； ③、定义单元实常数； ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可 以是恒定的，也可以随温度变化； ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加载荷计算 ①、定义分析类型 ●如果进行新的热分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state ●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart ②、施加载荷 可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ： a、恒定的温度 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 Command Family: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature b、热流率 热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。 注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要

PCB的热分析与热

PCB的热设计 热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识，讨论了PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施。 1、热设计的重要性电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。 2、印制电路板温升因素分析引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。印制板中温升的2种现象：（1）局部温升或大面积温升；（2）短时温升或长时间温升。在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。 2.1电气功耗（1）分析单位面积上的功耗；（2）分析PCB板上功耗的分布。 2.2印制板的结构（1）印制板的尺寸；（2）印制板的材料。 2.3印制板的安装方式（1）安装方式（如垂直安装，水平安装）；（2）密封情况和离机壳的距离。2.4热辐射（1）印制板表面的辐射系数；（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度； 2.5热传导（1）安装散热器；（2）其他安装结构件的传导。 2.6热对流（1）自然对流；（2）强迫冷却对流。从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。 3、热设计原则 3.1选材（1）印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过125℃（常用的典型值。根据选用的板材可能不同）。由于元件安装在印制板上也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因素，热点温度应不超过125℃。尽可能选择更厚一点的覆

Ansys 第 例瞬态热分析实例一水箱

第33例瞬态热分析实例——水箱 本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。 33.1概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。 33.1.1 瞬态热分析的定义 瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。 33.1.2 嚼态热分析的步骤 瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。 1．建模 瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。 注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。 2.施加载荷和求解 (1)指定分析类型， Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择 Transient。 (2)获得瞬态热分析的初始条件。 定义均匀的初始温度场：Main Menu→Solution→Define Loads→Settings→Uniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main Menu →Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature命令施加的温

度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。 定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Initial Condit'n→Define 即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。 注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步， Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time →Time Step。 (3)设置载荷步选项。 普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time-Time Step. 非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Nonlinear→Equilibrium Iter;打开自动时间步长，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step：将时间积分打开，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay. 输出选项包括：控制打印的输出，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→Solu Printout; 结果文件的输出，选择Main Menu →Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→DB/Results File.

PCB的热分析与热设计(doc 6)

PCB的热分析与热设计(doc 6)

PCB的热设计 热分析、热设计是提高印制板热可靠性的重要措施。基于热设计的基本知识，讨论了PCB设计中散热方式的选择、热设计和热分析的技术措施。 1、热设计的重要性 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 SMT使电子设备的安装密度增大，有效散热面积减小，设备温升严重地影响可靠性，因此，对热设计的研究显得十分重要。 2、印制电路板温升因素分析 引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。 印制板中温升的2种现象： （1）局部温升或大面积温升； （2）短时温升或长时间温升。 在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。 2.1电气功耗 （1）分析单位面积上的功耗； （2）分析PCB板上功耗的分布。 2.2印制板的结构 （1）印制板的尺寸； （2）印制板的材料。 2.3印制板的安装方式 （1）安装方式（如垂直安装，水平安装）； （2）密封情况和离机壳的距离。

有散热层的电路板，散热材料一般为铜/钼等材料，如一些模块电源上采用的印制板。 （3）导热材料的使用 为了减少热传导过程的热阻，在高功耗器件与基材的接触面上使用导热材料，提高热传导效率。 （4）工艺方法 对一些双面装有器件的区域容易引起局部高温，为了改善散热条件，可以在焊膏中掺入少量的细小铜料，再流焊后在器件下方焊点就有一定的高度。使器件与印制板间的间隙增加，增加了对流散热。 3.3元器件的排布要求 （1）对PCB进行软件热分析，对内部最高温升进行设计控制； （2）可以考虑把发热高、辐射大的元件专门设计安装在一个印制板上； （3）板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区； （4）使传热通路尽可能的短； （5）使传热横截面尽可能的大； （6）元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响。对热敏感的部件、元器件（含半导体器件）应远离热源或将其隔离； （7）（液态介质）电容器的最好远离热源； （8）注意使强迫通风与自然通风方向一致； （9）附加子板、器件风道与通风方向一致； （10）尽可能地使进气与排气有足够的距离； （11）发热器件应尽可能地置于产品的上方，条件允许时应处于气流通道上； （12）热量较大或电流较大的元器件不要放置在印制板的角落和四周边缘，只要有可能应安装于散热器上，并远离其他器件，并保证散热通道通畅； （13）（小信号放大器外围器件）尽量采用温漂小的器件； （14）尽可能地利用金属机箱或底盘散热。 3.4布线时的要求

热设计与热分析

热分析与热设计技术 热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下，芯片可能烧毁（图1）。更常见的情况是，如果你的设计达到未曾预料的温度，很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时，电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注，即电路温度从热到冷，然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击，也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能，但这种忽视是一个错误。半导体器件的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高（图 2 和参考文献1）。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说：“如果你要设计一个能够在负温度下工作于1.8V的放大器，就要考虑当从室温降到-40℃时，V BE（基射电压）会增加 130mV。这种情况将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。” 很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷却时会加速（图3），而有些放大器（如AD8099）则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称：“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为，较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说：“较低的输入阻抗和b（电流增益）的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm（跨导）很容易通过改变工作电流而得到补偿，但这样的话转换速率就会变化。” 低温会造成振荡、不稳定、过冲，以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃，则在25℃环境下只需60℃就到了最高温度上限，而从环境温度到-55℃是80℃温差。所以，要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学（密歇根州 Flint）电气工程教授James McLaughlin认为，当你将硅片加热超过数百度时，它会“本质化”。换句话说，温度足够高时，掺杂物会通过晶格作迁移，不再存在 PN 结，而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸？还是硅片继续加热至熔融，直至挥发掉？

一个经典的ansys热分析实例(流程序)

/PREP7 /TITLE,Steady-state thermal analysis of pipe junction /UNITS,BIN ! 英制单位；Use U. S. Customary system of units (inches) ! /SHOW, ! Specify graphics driver for interactive run ET,1,90 ! Define 20-node, 3-D thermal solid element MP,DENS,1,.285 ! Density = .285 lbf/in^3 MPTEMP,,70,200,300,400,500 ! Create temperature table MPDATA,KXX,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12 ! 指定与温度相对应的数据材料属性；导热系数；Define conductivity values MPDATA,C,1,,.113,.117,.119,.122,.125 ! Define specific heat values（比热） MPDATA,HF,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 ! Define film coefficient;除144是单位问题，上面的除12也是单元问题 ! Define parameters for model generation RI1=1.3 ! Inside radius of cylindrical tank RO1=1.5 ! Outside radius Z1=2 ! Length RI2=.4 ! Inside radius of pipe RO2=.5 ! Outside pipe radius Z2=2 ! Pipe length CYLIND,RI1,RO1,,Z1,,90 ! 90 degree cylindrical volume for tank WPROTA,0,-90 ! 旋转当前工作的平面；从Y到Z旋转-90度；；Rotate working plane to pipe axis CYLIND,RI2,RO2,,Z2,-90 ! 角度选择在了第四象限；90 degree cylindrical volume for pipe WPSTYL,DEFA ! 重新安排工作平面的设置；另外WPSTYL,STAT to list the status of the working plane；；Return working plane to default setting BOPT,NUMB,OFF ! 关掉布尔操作的数字警告信息；Turn off Boolean numbering warning VOVLAP,1,2 ! 交迭体；Overlap the two cylinders /PNUM,VOLU,1 ! 体编号打开；Turn volume numbers on /VIEW,,-3,-1,1

热设计和热分析基础知识培训

热设计和热分析基础知识培训 1 为什么要进行热设计 在许多现代化产品的设计，特别是可靠性设计中，热的问题已占有越来越重要的地位：电子产品：高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。这对于无论民用或军用产品都是一个重要问题。 航天产品，如卫星、载人飞船等，对内部温度环境有非常严格的要求；再如宇航员的装备，既要保证宇航员的周围环境，又要灵活、轻便。对于处于宇宙环境中的产品还要考虑超低温的影响等。 建筑方面：环保和节能的要求，冬季的保温和夏季的通风、降温等。各种家电产品自身的热设计和对周围环境的影响。实际上，热设计并不是什么新的东西，在日常生活中，在以往的产品中，都有意无意的使用了热设计，只是没有把它提高到科学的高度，仅仅凭经验在做。比如：在电子产品的设计中，如何合理的布置发热元件，使其尽量远离对温度比较敏感的其它元器件；合理的安排通风器件(风扇等)，通过机箱内、外的空气流动，使得机箱内部的温度不致太高；还有生产厂房中如何合理安排通风和排气设备，以及空调、暖气设备等，以达到冬季的保温和夏季的通风、降温要求，为工人提供一个较为舒适的工作环境。家居方面，则通过暖气、风扇、空调等为居民提供一个较为舒适的生活环境。 各种载人的交通工具，如汽车、火车、飞机等也都需要考虑如何为乘客提供舒适的环境。所有这些，说到底都是与热设计有关的问题，过去要求不高，凭经验就可以基本满足要求。但是，随着技术的进步，要求越来越高，光凭经验就不够了。 1.1 热设计的目的 根据相关的标准、规范或有关要求，通过对产品各组成部分的热分析，确定所需的热控措施，以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的组份的温度，使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。对于电子产品，最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。对于航天产品，必须同时考虑严酷的空间环境(超低温-269。C、太阳辐射、轨道热等) 和内部的热环境，尤其是载人航天器，其热设计的要求也更加复杂和严格，难度也更大。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 发生和耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以生热(其它能量形式->热能)、导热、对流及辐射进行传递，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的热控系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差–源于各种热条件的不确定性，例如同类电子元器件，其热耗的分散性；空气的湿度使得对流换热的效果有较大不同； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括结构与尺寸、系统各组成部分的功耗、产品的经济性、与所要求的结构和元器件的失效率相应的温度极限、(对于载人航天还要考虑人能忍受的极限条件)、结构和设备、电路等的布局、工作环境(外部环境和内部环境)

热分析的基本参数与概念

Executive Summary

Table of Contents 1Introduction (3) 1.1基本参数介绍 (3) 2Activities (4) 2.1Theta-ja (θja) Junction-to-Ambient (4) 2.1.1测量方法 (4) 2.1.2节温计算公式 (6) 2.2Theta-jc (θjc) Junction-to-Case (6) 2.2.1测量方法 (6) 2.2.2节温计算公式 (6) 2.2.3θjc与θja的关系 (7) 2.3Theta-jb (θjb) Junction-to-Board (7) 2.3.1测量方法 (8) 2.3.2节温计算公式 (8) 2.3.3θjc与θja的关系 (8) 2.4Ψ的含义 (9) 2.4.1Ψjb (9) 2.4.2Ψjc (9) 2.5各种封装的散热效果 (9) 2.5.1TI PowerPAD封装的使用注意事项 (10) 3Results (12) 3.1关于θja θjc ΨJB, ΨJT使用问题 (12) 4Discussion (12) 4.1热仿真软件的使用 (12) 5Conclusions (12) 5.1 (12) 6Abbreviations, Definitiones, Glossary (13) 6.1 (13) 7Version (13)

Contents 1 Introduction 1.1 基本参数介绍 一般包括三个参数 θ ja, θjc , θjb ，三种参数所指的散热图示如下。 Ta，Tb，Tc的测试点如下：

基于ABAQUS的热应力分析

1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件

1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)

(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。

ansys热分析例题

问题描述：一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。 材料热物理性能如下：热性能单位制 铜铁水 导热系数W/m℃ 383 37 密度Kg/m 8889 7833 996 比热J/kg℃ 390 448 4185 菜单操作过程： 一、设置分析标题 1、选择“Utility Menu>File>Change Jobname”，输入文件名Transient1。 2、选择“Utility Menu>File>Change Title”输入Thermal Transient Exercise 1。 二、定义单元类型 1、选择“Main Menu>Preprocessor”，进入前处理。 2、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。选择热平面单元plane77。 三、定义材料属性 1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”，在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。 2、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入383；点击Density，在DENS框中输入8898；点击Specific Heat，在C框中输入390。 3、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第二种材料。 4、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入70；点击Density，在DENS框中输入7833；点击Specific Heat，在C框中输入448。 5、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第三种材料。 6、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入.61；点击Density，在DENS框中输入996；点击Specific Heat，在C框中输入4185。 四、创建几何模型 1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions”，输入X1=0, Y1=0, X2=, Y2=, 点击Apply；输入X1=, Y1=, X2= ,Y2=, 点击Apply；输入X1= Y1=, X2= Y2=+, 选择OK。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap”，选择Pick All。 3、选择“Utility Menu>Plotctrls>Numbering>Areas, on”。 4、选择“Utility Menu>Plot>Areas”。 五、划分网格 1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料1。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size”，输入单元大小。 3、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选择铜块。 4、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料2。 5、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选

浅谈热分析技术及其应用

浅谈热分析技术及其应用 （学号：0908321083姓名：吕夏燕） 热分析是在程序控制温度的条件下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术。在加热或冷却的过程中，随着物质的结构、相态、化学性质的变化都会伴随相应的物理性质变化。这些物理性质包括质量、温度、尺寸等性质。根据测量物质的物理性质的不同，热分析方法的种类是多种多样的。如：差热分析(DTA) 、热重分析(TG) 、差示扫描量热(DSC) 和热机械分析( TMA、DMA) 等。在热分析技术中，应用得最为广泛的是热重法、差热分析与差示扫描量热法。 DSC（DSC - Differential Scanning calorimeters），DSC 全称差示扫描量法，分为功率补偿式（Power Compensation ）和热流式（Heatflow ）。其中功率补尝式DSC的测量原理是给被测样品和参比物样品放在同一环境中同时加温。加温过程中，当被测物由于发生物理性变，产生吸热或放热反应引起两个样品温度有差别时，通过及时给较低温度的样品加热，补偿功率的方法达到两样品时时保持相同温度。功率补偿式DSC 在定量测量热量方面比差热分析法好得多，能够直接从曲线峰面积中得到试样放热量（或吸热量），而且分辨率高，测得的化学反应动力学参数与纯度比差热分析法更精确。 TG(Thermogravimetric Analyzers) 热重分析法，热重分析法是在程序控制温度下，测量温度的质量与温度的关系的技术。用来进行热重分析的仪器一般称为热天平。它的测量原理是在给被测物加温过程中，由于物质的物理或化学特性改变，引起质量的变化，通过记录质量变化时程序所走出的曲线，分析引起物质特性改变的温度点，以及被测物在物理特性改变过程中吸收或者放出的能量，从而来研究物质的热特性。 DTA（Microcumputer Differential Thermal Analyzers）差热分析法，差热分析法是应用最广泛的一种热分析技术，它是在程序控制温度下，建立被测量物质和参比物的温度差与温度关系的技术。其测量原理是将被测样品与参考样品同时放在相同的环境中同时升温，其中参考样品往往选择热稳定性很好的物质，同时给两种样品升温过程中，由于被测样品受热发生特性改变，产生吸、放热反应，引起自身温度变化，使得被测样品和参考样品的温度发生差异。用计算机软件描图的方法记录升温过程和升温过程中温度差的变化曲线，最后获取温度