PCB和QFN芯片建模过程

随着电子产品的集成度越来越高，PCB板的尺寸越来越小，板级芯片散热的问题越来越成为电子工程师的一个重要挑战。 对于板级芯片散热，主要依靠工程师对 PCB自身的设计进行优化 ，同时要兼顾系统的尺寸和成本。 本文分别从芯片角度和PCB角度进行建模，芯片模型选用QFN封装，PCB模型采用走线导入模型，探讨了芯片结构，PCB铜厚，PCB叠层厚度对芯片散热的影响。

2、建模过程

为了最大程度的还原仿真对象，PCB模型采用Icepak自带PCB模型，通过导入真实的走线Trace真实模拟PCB的散热能力。 芯片也是采用Icepak自带的Package模型 对QFN封装进行详细建模。

2.1 PCB 板建模

通过ODB模型导入PCB 走线信息，并编辑PCB的叠层及铜厚：

设置板子尺寸为23X40mm

PCB铜厚为1oz（0.035mm）

PCB总叠层厚度为1.64mm

不考虑走线电流发热影响（ 可通过SIwave导入，关注我后续带你分析！ ）

图2.1 PCB 参数和走线导入设置

图2.2 PCB 导入走线后视图

2.2 QFN 芯片封装建模

根据数据手册尺寸设置QFN 芯片尺寸：

芯片外尺寸6x6x0.75mm

芯片Die尺寸3x3mm

散热盘尺寸5.4x5.4mm

芯片损耗为0.165w

其他按照规格书设置

图2.3 QFN 芯片封装设置

图2.4 QFN 芯片参数说明

2.3 基于热阻模型的芯片建模

使用QFN的热阻参数，建立二维热阻模型：

MinZ 为紧贴PCB的面（Bottom）

Rjc为 Junction-Case 热阻

Rjb为 Junction-Bottom 热阻，为主要传热路径

芯片损耗为0.165w

图2.5 QFN的二维热阻模型

3、仿真结果

静态PCB散热主要形式为 自然对流和辐射散热 ，通过重力模拟，和DO辐射模型对PCB进行仿真，参数设置如下：

图3.1 仿真参数设置

通过芯片和PCB的详细建模，可以获得散热模型的各种散热细节的仿真结果：

图3.2 PCB 表面散热云图

图3.3 PCB 内层散热云图

图3.4 PCB 周边自然对流情况

对仿真结果进行处理和分析：

仿真序号	仿真条件	仿真温度	温升
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1，102	20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型； 铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm	56.8摄氏度	36.8摄氏度
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2，104	20C，Pdis=0.165W， 热阻QFN模型 ； 铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm	59.3摄氏度	39.3摄氏度
3，105	20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型； 铜厚2oz ，叠层绝缘层0.5mm	43.9摄氏度	23.9摄氏度
4，106	20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型； 铜厚2oz ，叠层绝缘层0.25mm	36.2摄氏度	16.2摄氏度
5，107	20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型； 铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm，PCB倒立放置	57.0摄氏度	37.0摄氏度
6，108	20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型； 铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm，侧面0.1m/s风冷	54.7摄氏度	34.7摄氏度

由上述仿真结果看出：

真实的QFN模型和热阻模型温度偏差不大，通过使用热阻模型可以简化建模过程

增加PCB 铜厚可以大幅度降低芯片温度，但是成本增加

减少PCB 叠层厚度能够降低芯片温度，成本几乎不变

PCB的摆放角度对芯片温度有一定影响，但是影响有限

微弱的空气对流，对芯片温度影响不大

小结

本文通过对PCB和QFN芯片建模，模拟的多种工况条件下的芯片散热，其中影响PCB散热最直接的因素为 PCB叠层厚度和走线铜厚 ！