隨著科技的迅速發(fā)展，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的功能性需求日漸增強(qiáng)，PCB板載流需求日漸變大，熱管理問(wèn)題變的尤為突出，局部電流密度過(guò)大、板子溫升過(guò)高等情況對(duì)電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能性影響頗大，輕則元器件效率降低，重則板子完全失效。為了提前規(guī)避這類(lèi)設(shè)計(jì)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)初期通過(guò)直流電熱仿真軟件對(duì)PCB進(jìn)行仿真模擬無(wú)疑是最佳選擇，可以快速、高效、低成本的分析PCB正?；驑O限運(yùn)作狀態(tài)下的電、熱特性，從而進(jìn)一步優(yōu)化PCB板的設(shè)計(jì)，提高其散熱性能，減少熱點(diǎn)問(wèn)題。由于板子的設(shè)計(jì)日漸趨向精益、復(fù)雜、效率化，僅考慮由于板子運(yùn)行的功耗帶來(lái)的焦耳熱已經(jīng)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需求，某些核心的元器件比如CPU、GPU、PMIC等本身的功耗也不可小覷，因此需要額外在電熱協(xié)同仿真案例模型中加入熱源器件的概念，將元器件自身的功耗參與仿真計(jì)算，在焦耳熱的基礎(chǔ)上考慮元器件自發(fā)熱的情況，使仿真案例無(wú)限接近實(shí)際模型，幫助工程師對(duì)元器件進(jìn)行合理的布局，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱結(jié)構(gòu)，選擇最優(yōu)的散熱解決方案，以確保PCB板在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載工作下能夠保持穩(wěn)定的工作溫度，避免在生產(chǎn)階段出現(xiàn)問(wèn)題需要重新設(shè)計(jì)或更換零部件，從而節(jié)約調(diào)整成本和時(shí)間，提高電子產(chǎn)品的安全性、功能性以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

PhysimML是芯瑞微推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)。在PhysimML仿真平臺(tái)上可以完成多層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如PCB與封裝的電，熱，電熱，電熱應(yīng)力以及電熱磁的多物理場(chǎng)仿真分析,一站式解決板級(jí)、封裝級(jí)的多物理場(chǎng)仿真場(chǎng)景，幫助用戶(hù)及時(shí)定位問(wèn)題，預(yù)測(cè)潛在設(shè)計(jì)隱患，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

PhysimML多物理場(chǎng)平臺(tái)中的電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET支持添加熱源器件進(jìn)行直流電熱仿真，綜合考慮焦耳熱和元器件自發(fā)熱的相互影響，最大程度還原實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，本文將以實(shí)例演示如何使用PhysimET對(duì)PCB板添加熱源器件實(shí)現(xiàn)板級(jí)電熱協(xié)同仿真。

仿真設(shè)置步驟
1.PCB案例模型導(dǎo)入。 
打開(kāi)PhysimML，Load layout，選擇需要仿真的案例并將其導(dǎo)入，此案例為一6層的PCB板，導(dǎo)入后模型如圖1所示：

圖1

2.設(shè)置電仿真模塊（DC section）

圖2

2.2 檢查疊層信息，修改相關(guān)材料，PhysimET提供可供用戶(hù)使用的材料庫(kù)，庫(kù)中包含常見(jiàn)的具有電熱屬性的材料，如圖3所示：

圖3

本案例未修改疊層厚度，將所有金屬層和介質(zhì)層的材料修改為具有電熱屬性的材料，如圖4所示：

圖4

2.3 根據(jù)所選的net確定仿真的電模型，并設(shè)置其類(lèi)型為Vsource(源端)、Sink(載端)或Discrete(分立器件)，組成電源回路進(jìn)行仿真，本案例沒(méi)有涉及到Discrete，故不做選擇，具體如圖5所示：

圖5

隨后提取本案例的電源樹(shù)模型，查看電路模型，如圖6所示：

圖6

2.4 通過(guò)Set up V_Source models設(shè)置所選Vsource的電壓值，設(shè)置完成后如圖7所示：

圖7

2.5 通過(guò)Set up I_Sink models設(shè)置所選Sink的電流值，設(shè)置完成如圖8所示：

圖8

3.設(shè)置熱仿真模塊(Thermal section)

3.1本案例的熱仿真模式為添加熱源器件參與仿真，首先點(diǎn)擊指定一個(gè)元器件，本案例以U2A5為例，將其類(lèi)型TCompType設(shè)置為Active;隨后選擇其Package的連接方式，本文以焊錫球式為例，將PKG attach設(shè)置為Solder Balls，如圖9所示：

圖9

3.2 對(duì)熱源器件進(jìn)行建模，分別是其Die、Package以及Mold的尺寸和材料，設(shè)置完成后3D模型示意如圖10所示：

圖10

3.3 設(shè)置熱源器件的功耗，即設(shè)定其自身的功耗，本案例將CPU選為熱源器件，其功耗設(shè)置為1.5W，設(shè)置完成后如圖11所示：

圖11

3.4 由于在步驟3.1中選擇Package的連接方式為Solder ball，因此需要設(shè)置焊錫球的相關(guān)參數(shù)，包括焊錫球的尺寸和材料，設(shè)置完成后如圖12所示：

圖12

3.5 最后設(shè)置熱仿真的條件，在PhysimET中將其設(shè)置為自然對(duì)流，環(huán)境溫度為25度，如圖13所示：

圖13
 

4.仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述步驟，整個(gè)仿真設(shè)置已經(jīng)完成，點(diǎn)擊Run simulation即可進(jìn)行仿真。
仿真結(jié)束后通過(guò)View result tables查看電仿真數(shù)據(jù)表格，對(duì)于壓降、電流、功耗等數(shù)據(jù)結(jié)果一目了然，如圖14所示。

圖14

4.2 通過(guò)View 2D results即可查看各類(lèi)2D仿真云圖，包括電壓云圖、電流密度云圖、過(guò)孔電流云圖、功耗密度云圖以及溫度云圖，如下列圖示：

仿真電壓云圖

仿真電流密度云圖

過(guò)孔電流結(jié)果云圖

功耗密度結(jié)果云圖

溫度分布結(jié)果云圖

總結(jié)：使用PhysimET對(duì)PCB添加熱源器件后進(jìn)行板級(jí)電熱協(xié)同仿真，充分考慮裸板焦耳熱和自發(fā)熱元器件之間的相互影響，使仿真模型無(wú)限貼近于實(shí)際模型，幫助用戶(hù)分析并規(guī)避設(shè)計(jì)中可能存在的壓降過(guò)大、局部電流密度過(guò)高、溫升過(guò)高等潛在隱患，選擇最優(yōu)的散熱方案和載流方案，縮短產(chǎn)品的迭代周期，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

PhysimET適配于多個(gè)電熱協(xié)同仿真應(yīng)用場(chǎng)景，支持多種不同熱仿真條件的設(shè)置，詳細(xì)案例將在后續(xù)推文中展示，如欲了解更多電熱協(xié)同仿真實(shí)例及實(shí)操方法，請(qǐng)關(guān)注我司公眾號(hào)，敬請(qǐng)期待!