Joule Heating in PCB – Based on Current Density

由於在電熱耦合模擬的輸出結果,雖然低電流的部分可以清楚的看到熱點發生的範圍以及位置,像是下面的一個Case,透過截面可以知道熱點發生在TOP層,然後根據位置可以找到實際上的Bottle neck產生在哪裡。

但是在大電流的以及大範圍的狀況下時常是多熱點以及多區域,最後體現在溫度場上會通通攪在一起而難以分辨。
因此,了解電流密度與發熱量的關係,對於了解誰是兇手是必須的。

根據公式我們可以知道,會熱,主要是電流影響。在應用上,我們應該以電流固定,拉大或縮小plane面積是改變截面積,影響的是電阻,同時體現在電流密度上,意味著,電流密度是隨著截面積而變動的。

但是在解讀模擬結果時,我們手上有的資料只有電流密度,因此得改成固定電流密度,觀察他在不同狀況下是否會發熱,銅箔是否需要修正,變動的人成了電流值。

相同電流密度在不同層的表現

測試對象為一個14層的板子,根據Stack-up建立一個長400mil x 寬100mil的Demo case,各項物理參數如上表。

將環境風速控制在3m/s的狀況進行模擬,並設置相當於10,100,1000 A/mm^2 的等效電流,結果如下表,並繪製成圖。

根據曲線可以發現,基本上電流密度在10^2 A/mm^2 以下,基本上不至於造成PCB有太大的溫升,而當進到了10^2這個order開始產生了有感的溫升,並且隨著電流而持續增加,當超過了的時候基本上是呈現燒毀的溫度了。
其中在10^2的曲線有一個掉下來的部分是由於外層散熱表現比內層好,導致溫升稍微下降,但是在內層間彼此倒是沒有太大的差異。
同時在10^2 這個等級,透過風冷降溫還是有希望的,但是一旦超過基本上沒救。

PCB的溫度表現,除了電流以外,和環境溫度,風速,尺寸也有關係,而其他參數的影響會在下一篇當中進行測試。

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