By Stephen V. Chavez
在PCB設計界，有個老問題常讓工程師煩惱：「分析該什麼時候做？要做到什麼程度？」許多團隊為了趕進度，常常將分析往後推遲，甚至在進度表中預留2-3次返工時間。資深PCB設計專家Stephen V. Chavez最近分享了突破性的「左移方法論」：將分析工作提前至設計初期，不只能避免後期反覆修改的惡夢，更透過智慧元件庫為團隊節省數百小時的手動檢查時間。關鍵在於改變傳統「先設計後驗證」的思維。
今天，我將闡述 PCB 設計最佳實踐的第三支柱—數位原型驅動驗證。
關於數位原型驅動驗證，真正重要的是透過自動化設計審查來消除實體原型，評估多學科間的權衡，為設計工程師提供可輕鬆使用的技術，以減少對專家的依賴，並實現矽封裝與電路板系統的共同最佳化。
當談到數位原型驅動驗證時，我經常看到以下兩個典型問題：
分析進行得太晚。返工變得習以為常，因為團隊通常已在進度表中預留了兩到三次返工的時間。更糟糕的是，分析根本未進行，常因項目進度表上的時間壓力而被推遲。即使知道存在風險，也會為了儘早將設計送至製造而在過程中走捷徑，因為分析可以留待下一版本進行。
領域專家或主題專家通常處於孤立狀態，或者參與設計流程的時間過晚，導致設計的延遲編輯或修改，這可能對進度產生負面影響。
什麼是熱分析？
熱分析用於檢查/驗證設計中的所有熱點是否已被減輕並優化，以確保PCB在製造之前具有最佳性能。
當前有哪些問題？
由於信號速度的加快，當今的複雜PCB設計比以往任何時候都更加具有挑戰性。我們越來越多地看到PCB設計中的信號速度達到千兆赫，尤其是在高速度設計中，信號切換速度的邊緣率達到有史以來最快的水平。不僅如此，我們現在還看到物理元件封裝變得比以往更小，而且還在不斷縮小。此外，為了緩解與PCB/PCBA熱性能相關的熱問題，我們還越來越多地使用特殊PCB材料。
PCB設計中的熱管理可以說是非常重要的。高功率電信和軍用航空應用曾經是這類複雜挑戰的主要行業領域。而如今，這些複雜性設計已經進入了汽車、消費電子和醫療行業，成為新的常態。
通常情況下，PCB的設計始於機械領域。機械工程師根據客戶需求創建PCBA所在的物理外殼。在這一領域中，需要考慮能夠提高散熱效果的熱特性，不僅要從機箱散熱，還要從PCB/PCBA中散熱。PCB材料、氣流和散熱片都需要考慮。在複雜的PCB設計中，這是一項嚴肅的任務！如果處理不當，可能會帶來災難性後果，從銅導線像保險絲一樣燒毀，到元件過熱，甚至PCBA著火。在您的產品進入市場時，不能僅僅靠猜測和希望來指望設計正常工作。
主要障礙有哪些？
實施熱分析的主要障礙與項目壓力有關。基本上，這是由項目管理在最後一刻決定減少項目預算並提前項目時間表所導致的。許多時候，項目落後於計劃並超出預算，這往往會促使人們做出倉促的決定，接受提前發布設計的風險，而放棄如信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和熱分析等必要的分析，儘管這些分析原本已經納入了項目時間表中。
另一個典型的障礙是缺乏專家或行業中的工程工具，例如 Simcenter FLOEFD 和 Hyperlynx。這些工具可以通過快速、準確的電子冷卻計算流體動力學（CFD）模擬，從最初的預CAD探索到最終驗證，改善電子熱管理可靠性。此外，即使決定進行模擬，獲取模型的能力也是一個相關的障礙。
熱分析的最佳實踐
熱分析的最佳實踐主要有三個方面：
在多領域環境中，機械與電氣工程學科之間的密切合作和整合是必須的！ 這還包括電子計算機輔助設計（ECAD）和機械計算機輔助設計（MCAD）領域。與製造商/加工廠的密切合作是解決熱管理問題的最後一塊拼圖。
當機械屬性被確定並鎖定後，PCBA將所在的物理外殼設計就被設定下來，並交付給ECAD團隊。這是MCAD與ECAD之間初步雙向協作的開始。最佳實踐是實現這兩個學科及其相應工具之間的自動化無縫整合。
現在有幾種數據交換方法，但IDX格式是當前的最佳實踐。在這種格式中，來回傳遞的規則物理智能包括電路板輪廓、板厚、禁止區域/允許區域、元件高度/空間限制、工具孔、安裝孔、槽、散熱片位置以及任何關鍵元件位置要求等功能。
元件佈局至關重要。 良好的元件佈局需要滿足設計的物理和電氣需求。從將熱量從關鍵元件中引導出來，到優化佈線流向，並在設計中戰略性地利用熱過孔，這都是成功的關鍵！即使到目前為止實施了最佳實踐，但對於當今複雜的PCBA來說，這還遠遠不夠。此時，PCB的性能分析變得至關重要。
在元件佈局階段以及PCB完成後，進行徹底的分析是至關重要的。 行業中有多種專門設計用於進行此類分析的工具。有些工具在多工具整合/協作和功能性方面表現更優秀。
一次良好的熱分析將檢查/驗證設計中的所有熱點是否已被減輕並優化，以確保PCB具有最佳性能，並在產品投入市場時取得成功。如果在過程的早期解決熱問題，調整會更加容易接受，相比之下，晚期解決問題會更加困難。完成熱分析是非常必要的！僅僅為了在項目預算中節省幾塊錢，或縮短項目時間表而跳過這一步驟，可能會帶來嚴重後果。請不要有誤解，未完成徹底的熱分析將會對設計造成負面影響。因此，必須通過正確的結構設計來解決熱管理問題，確保設計性能達到標準。
熱分析的運作方式
一旦電路板的3D幾何結構被創建，就可以開始探索設計的熱特性，而不一定需要等到設計完成。需要考慮與熱相關的信息，例如系統中是否有風扇的風速以及散熱片等。在產品機箱內模擬電路板的運行情況，可以確保用戶從模擬中獲得最現實的結果。
通過分析數字原型，可以提取多種不同類型的數據。例如，電氣和機械元件的溫度分佈、設計中的氣流速度，甚至溫度隨時間變化的數據都可以被捕獲，從而使最終產品的熱性能優化變得更加容易。
要了解更多有關熱分析的內容，請觀看此影片：
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