评审PCB铜排热仿真时,应分别检查板面方向与穿板厚度方向的等效导热系数,以及它们对应的局部坐标。多层铜箔与绝缘层组成的PCB可以采用正交各向异性简化,不能把铜材的导热系数填给整块PCB,也不能把某个教程数值当成所有板材的规格。
板面散热与穿板散热有不同路径
Ansys Icepak的紧凑PCB模型将复合板等效为具有方向性导热系数的实体。COMSOL的散热器教程也采用各向异性PCB,说明多层铜走线会使沿板方向和穿板方向的传热表现不同。这里讨论的是复合板的等效性质,铜排本体与焊点仍需单独设置材料和连接。
| 模型字段 | 需要确认的含义 | 资料依据 |
|---|---|---|
| 面内导热系数 | 沿PCB板面的方向,单位W/(m·K) | 叠层、铜分布及等效方法 |
| 厚向导热系数 | 垂直板面的方向,单位W/(m·K) | 介质、层间和过孔等结构 |
| 材料坐标 | 各方向对应实际板子的姿态 | 坐标定义与旋转记录 |
| 局部热路径 | 焊盘、铜颈与过孔是否单独处理 | 布局及所关心的空间尺度 |
先找板厚方向,再看矩阵填在哪一格
全局z轴未必永远是PCB厚向。Ansys页面的一个例子将板面放在x-z平面,厚向便对应y。模型旋转以后,应核对材料方向是否跟随板子。COMSOL的PCB材料数据说明也要求选用相应坐标,让各向异性方向与简化板姿态一致。
因此,审核报告宜附局部坐标示意,并用文字标出厚向。只交一组kx、ky、kz数值,无法让下一位工程师判断其物理方向。三项参数使用相同单位,并不表示可以互换位置。
整板等效什么时候需要细化
一块均匀等效板可以减少建模成本,但对SMD铜汇流条焊盘附近的局部温度,仍需检查简化是否抹去了铜箔断口、窄颈与过孔位置。沿板平均导热较好,不能单独证明热量能从某个焊点有效传到背面冷却区。
建议先写清模型要回答整板散热还是局部连接温升,再决定采用整板均匀参数、分区等效或详细结构。COMSOL还提供由PCB内部结构生成空间变化材料数据的思路;这是一种建模方法,不能替代针对当前布局的验证。
比较设计时保留同一组假设
建议归档板厚mm、各层厚度、铜覆盖与连通信息,注明导热系数来源、温度条件和等效方法。对关键方向或布局假设做敏感性检查,再与实际测温比较。指定温度与对流边界处理外部散热条件,应与本页的材料方向分别核对。
常见问题
FR-4资料中的单个k值能代表整板吗? 先确认它描述介质还是含铜复合板,以及测量方向。
背面增加铜就必然降低铜排温度吗? 还需检查热量通向背面的路径、接触条件和实际冷却边界。
参考资料
Ansys Icepak compact PCB model;COMSOL anisotropic PCB tutorial;COMSOL PCB material data and coordinates
封面为AI复合PCB导热方向示意,层厚与箭头不按比例,不是实际温度场。本文没有给出宏川板材、铜排或整板的导热额定值。