PCB散熱器優(yōu)化很難嗎？這樣做就很容易！

相信不少工程師在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中都會(huì)遇到因器件過(guò)熱而影響板卡可靠性的問(wèn)題，面對(duì)這種情況，散熱器的設(shè)計(jì)就十分關(guān)鍵。如何通過(guò)優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)來(lái)提高芯片的散熱性能，解決PCB板過(guò)熱問(wèn)題，這讓很多工程師很是頭疼。看完下面的案例后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)其實(shí)很容易。

本文的研究對(duì)象為帶兩個(gè)散熱器的CPIC卡板模型，目標(biāo)是優(yōu)化位號(hào)為U7（上游）和 U8（下游）的兩個(gè)元件的散熱器。三個(gè)案例的優(yōu)化目標(biāo)分別為：

■案例 1：使散熱器質(zhì)量最小，考慮其成本，越小越輕越好。

■案例 2：元件溫度最低可以達(dá)到多少？

■案例 3：如何使元件之間的溫差最?。咳绻ぷ髟谙嗤瑴囟?，電氣功能會(huì)更好。

我們將利用如下環(huán)境參數(shù)進(jìn)行PCB仿真。氣流方向如圖所示。

■海拔：海平面

■環(huán)境溫度：55°C

■上游風(fēng)速：400 ft/min

■槽間距：0.8 in

電路板布局如圖所示， PCB定義如下：

■ 疊層：2S2P
■ PCB 尺寸：100 mm x 160 mm
■ PCB 厚度：1.6 mm
■ 總功率：22.5 W

U7（上游）和U8（下游）建模為2R精簡(jiǎn)熱模型，與熱設(shè)計(jì)相關(guān)的具體參數(shù)如下：

■ RJC：0.5°C/W

■ RJB：20°C/W

■ TIM：0.5°Cin2/W

結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)及相關(guān)約束條件，分析如下三個(gè)案例：

■案例 1：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最小，兩個(gè)散熱器完全相同，U8結(jié)溫維持在100°C。

■案例 2：使U8結(jié)溫最低。U7和U8散熱器完全相同。

■案例 3：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最?。粌蓚€(gè)散熱器的外形結(jié)構(gòu)相同，但鰭片長(zhǎng)度不同；U8結(jié)溫維持在100°C。此外，U7和U8結(jié)溫之差以1°C為限。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

優(yōu)化之前，我們利用 FloTHERM軟件的CommandCenter 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)選項(xiàng)創(chuàng)建50個(gè)要利用CFD進(jìn)行分析的仿真模型。該研究使用如下輸入?yún)?shù)：

DOE 中用到的其他約束包括：

1. 輸入約束——散熱器最大高度以15.5 mm為限（案例 1-3）。

2. 線性約束——當(dāng)U7和U8散熱器基板尺寸改變時(shí)，確保散熱器始終以相應(yīng)的元件為中心（案例 1-3）。

3. 線性約束——確保 U7 散熱器的所有尺寸參數(shù)都與 U8 散熱器相同，即這兩個(gè)散熱器完全相同（案例 1-2）。

4. 線性約束——確保 U7 散熱器除鰭片高度外的所有其他尺寸參數(shù)都與 U8 散熱器相同，即相同的外形結(jié)構(gòu)（案例 3）。

上圖顯示了輸入?yún)?shù)在案例1和2的設(shè)計(jì)空間上的分布。對(duì)案例3執(zhí)行單獨(dú)的DOE，U8和U7鰭片高度可以獨(dú)立改變（下圖）。

只從這些結(jié)果無(wú)法確定最優(yōu)設(shè)計(jì)，但它指出了可實(shí)現(xiàn)的輸出范圍是多少。軟件利用CFD分析50種設(shè)計(jì)，大約需要30分鐘。

下一步需要進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

響應(yīng)面優(yōu)化

對(duì)DOE分析的50種設(shè)計(jì)案例中的每一種都執(zhí)行響應(yīng)面優(yōu)化 (RSO)。RSO將響應(yīng)面與數(shù)據(jù)擬合，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)最優(yōu)設(shè)計(jì)。執(zhí)行RSO需要1-2分鐘。對(duì)于此 cPCI 卡，每種RSO優(yōu)化都應(yīng)用如下輸出約束：

■ 案例 1：最大允許U8 結(jié)溫為 100 °C。

■ 案例 2：不應(yīng)用輸出約束。

■ 案例 3：最大允許U8結(jié)溫為 100 °C。U7和U8之間的最大結(jié)溫差為1 °C。

下面是考慮的每種優(yōu)化案例的結(jié)果。表中同時(shí)列出了數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)的最優(yōu)結(jié)果和CFD仿真獲得的實(shí)際結(jié)果以供比較，包括 RSO 預(yù)測(cè)最優(yōu)結(jié)果的誤差。

除了預(yù)測(cè)的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)以外，RSO計(jì)算還會(huì)產(chǎn)生2D/2.5D和3D圖。下面給出案例1對(duì)應(yīng)的圖形作為示例。

上圖以2.5D圖形式顯示了不同鰭片高度時(shí)U8結(jié)溫與鰭片數(shù)量的關(guān)系，所有其他參數(shù)都設(shè)置為 RSO 預(yù)測(cè)最優(yōu)值。

下圖以3D圖形式顯示了U8結(jié)溫與基板長(zhǎng)度和寬度的關(guān)系。這些圖形對(duì)了解設(shè)計(jì)對(duì)不同輸入的敏感度很有用。本例中我們看到，當(dāng)基板長(zhǎng)度超過(guò)35 mm時(shí)，再增加基板長(zhǎng)度所獲得的效果要比增加基板寬度差得多。

在本案例分析的結(jié)果中，U8的RSO預(yù)測(cè)結(jié)溫為100°C，這是輸出約束所用的值，但CFD結(jié)果顯示結(jié)溫達(dá)到102.6°C。為了滿足這一約束，建議通過(guò)更多DOE仿真來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。

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