3 疊層銅分布影響研究

系統(tǒng)級(jí)熱仿真中各種不同板卡的PCB 板往往使用單一薄板模型替代，且賦予單一的熱物性參數(shù).而實(shí)際情 況是多層PCB 板各疊層以及每層不同區(qū)域的銅分布不均勻，傳熱能力差異明顯.在某些情況下，此差異可能會(huì)使系統(tǒng)熱仿真結(jié)果產(chǎn)生很大偏差.因此，需要對(duì) PCB 板各疊層的銅分布進(jìn)行詳細(xì)建模與仿真分析.

3. 1 疊層建模對(duì)比分析

3. 1. 1 算例描述

以 下通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化算例對(duì)比PCB 疊層詳細(xì)建模與簡(jiǎn)單建模造成的偏差.以某產(chǎn)品板卡為例進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別對(duì)板卡疊層進(jìn)行簡(jiǎn)單建模和復(fù)雜建模，對(duì)比各個(gè)芯片溫度 差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設(shè)定均一致，邊界條件為開(kāi)放環(huán)境，水平風(fēng)速為2 m/s.簡(jiǎn)單模型PCB 設(shè)定的3 個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)為 Kx = Ky = 40 W/( m·K) ,Kz = 5 W/( m·K)( 簡(jiǎn)稱(chēng)SIMPLE 40_40_5).詳細(xì)模型PCB 使用軟件設(shè)定 參數(shù)RLS =50 和NCB =256 進(jìn)行自動(dòng)劃分，且對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)特性參數(shù)賦值( 簡(jiǎn)稱(chēng)PCB 50_256).圖4 為該產(chǎn)品板卡的熱仿真 模型.

3. 1. 2 仿真結(jié)果及其分析

仿真溫度結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1 和圖5.

從上面的對(duì)比來(lái)看，以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的簡(jiǎn)單模型PCB 設(shè)定物性參數(shù)為Kx = Ky = 40,Kz = 5,與實(shí)際詳細(xì)PCB 計(jì)算結(jié)果差異很明顯，一般都有6 ℃ ~39 ℃的偏差.

一 個(gè)需要注意的細(xì)節(jié)是各個(gè)芯片計(jì)算結(jié)果誤差的變化范圍較大，其中D7 的誤差僅為0. 7 ℃，而D29 的誤差為39 ℃.這是因?yàn)樵诖四Ｐ椭蠨7 表面 使用了散熱片，而其他芯片表面沒(méi)有散熱片.沒(méi)有使用散熱片的芯片( 如D29) 的散熱途徑主要是通過(guò)PCB 板導(dǎo)熱，然后再由PCB 板表面的空氣對(duì)流 帶走熱量，所以PCB 板的建模對(duì)其結(jié)果影響非常明顯.

而D7 由于表面使用了散熱片，主要的散熱途徑是通過(guò)芯片表面將熱量傳導(dǎo)到散熱片，通過(guò)散熱片表面的空氣對(duì)流帶走熱量，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)PCB 的建模對(duì)其結(jié)果影響較小.

3. 2 疊層銅分布建模優(yōu)化

3. 2. 1 問(wèn)題描述

根據(jù)目前的使用經(jīng)驗(yàn)，PCB 疊層劃分過(guò)于精細(xì)將帶來(lái)下面2 個(gè)問(wèn)題：

1) 網(wǎng) 格數(shù)量與質(zhì)量.以某產(chǎn)品板卡為例，如果按照RLS = 50 和NCB = 256 對(duì)每層進(jìn)行平面劃分，且每層至少有一層網(wǎng)格進(jìn)行描述，則單板 PCB 部分的網(wǎng)格數(shù)量將近數(shù)十萬(wàn).由于每層的厚度與板卡長(zhǎng)寬相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以每層的厚度不要使網(wǎng)格的橫縱比大于250,以免造成較差的網(wǎng)格質(zhì)量.

2) 模 型塊的數(shù)量.如果RLS = 50,NCB = 256,則某產(chǎn)品板卡的PCB 需要由16 000 個(gè)不同物性參數(shù)的模型塊拼成.數(shù)量巨大的模型塊無(wú)論 是在建模.計(jì)算還是后處理過(guò)程中都會(huì)占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存和顯存，使部分配置不高的計(jì)算機(jī)工作效率很低，甚至無(wú)法進(jìn)行.因此為了在保證計(jì)算精度的前提下提高 計(jì)算效率，需對(duì)建模的精細(xì)化程度進(jìn)行優(yōu)化研究.

3. 2. 2 算例描述

以前述算例為基準(zhǔn)，設(shè)定RLS =50 或30,NCB =256或9.2 個(gè)參數(shù)分別取2 個(gè)值進(jìn)行搭配，得到4 個(gè)算例： PCB 50_256,PCB 50_9,PCB 30_256 和PCB 30_9.

3. 2. 3 仿真結(jié)果及其分析

不同疊層劃分精度的仿真溫度對(duì)比見(jiàn)表2 和圖6.

從仿真結(jié)果可以看出： 當(dāng)RLS 從50 降至30,NCB從256 降至9 時(shí)，此模型的散熱仿真結(jié)果誤差較小，在保證一定精度的前提下能有效減少模塊數(shù)量，提高計(jì)算效率.使用RLS = 30 和NCB = 9,既能保證一定的計(jì)算精度，也能保證計(jì)算效率.

3. 3 板級(jí)與系統(tǒng)級(jí)聯(lián)合精確熱仿真

3. 3. 1 算例描述

為 了進(jìn)一步驗(yàn)證此簡(jiǎn)化方法，在某插箱產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)模型中，選擇散熱狀況最?lèi)毫拥牟畚粚?duì)某產(chǎn)品板卡使用PCB 疊層詳細(xì)模型，分別帶入 PCB 50_256 和PCB 30_9 進(jìn)行計(jì)算.同時(shí)設(shè)定PCB 簡(jiǎn)化模型，分別設(shè)定不同的物性參數(shù) SIMPLE 40_40_5: Kx = Ky = 40,Kz = 5; SIMPLE7_7_1: Kx = Ky =7,Kz =1.

3. 3. 2 仿真結(jié)果及其分析

板級(jí)與系統(tǒng)級(jí)聯(lián)合精確熱仿真結(jié)果如圖7 所示.

從聯(lián)合精確熱仿真結(jié)果可知，PCB 50_256 和PCB 30_9的計(jì)算結(jié)果很接近.在實(shí)際使用過(guò)程中可以使用RLS = 30 和NCB = 9,這樣既能保證一定的計(jì)算精度，也能保證計(jì)算效率.

之 前使用的簡(jiǎn)化PCB 物性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定與實(shí)際情況差異較大，但根據(jù)調(diào)試，當(dāng)設(shè)定Kx = Ky = 7,Kz = 1時(shí)，與詳細(xì)PCB 模型計(jì)算結(jié)果也很 相近，如果繼續(xù)優(yōu)化，也應(yīng)該能與詳細(xì)模型計(jì)算達(dá)到較好的吻合.但是這個(gè)簡(jiǎn)化設(shè)定會(huì)因?qū)嶋HPCB 設(shè)計(jì)不同和散熱方式( 自然對(duì)流或強(qiáng)迫對(duì)流) 不同而改變.[!--empirenews.page--]

4 過(guò)孔影響研究

根 據(jù)之前的板級(jí)熱設(shè)計(jì)研究的經(jīng)驗(yàn)，板卡芯片的散熱主要分為2 類(lèi)： 使用散熱片或以主動(dòng)散熱為主的芯片，不使用散熱片或以被動(dòng)散熱為主的芯片.對(duì)于后一類(lèi)， 散熱的主要途徑主要是熱傳導(dǎo)，大部分熱量通過(guò)芯片往下傳導(dǎo)到PCB 板上，然后從PCB 板向水平方向擴(kuò)散到較大的面積，并通過(guò)PCB 板的上下表面與空 氣進(jìn)行對(duì)流換熱.在此過(guò)程中，熱量首先從芯片通過(guò)熱過(guò)孔向下傳導(dǎo)到PCB 內(nèi)部，然后才是PCB 內(nèi)部的導(dǎo)熱.所以要保證板級(jí)熱仿真的精度，不僅需要對(duì) PCB板內(nèi)部各疊層的銅分布進(jìn)行詳細(xì)建模，還需要對(duì)熱過(guò)孔的建模進(jìn)行研究.

4. 1 熱過(guò)孔建模影響分析

對(duì)某產(chǎn)品板 卡進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅僅留下功耗1 W 以上的主要芯片，分別對(duì)板卡進(jìn)行簡(jiǎn)單建模和復(fù)雜建模，對(duì)比各個(gè)芯片溫度差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設(shè)定均一致，邊界條件為 開(kāi)放環(huán)境，水平風(fēng)速為2 m/s.詳細(xì)模型PCB 使用軟件設(shè)定參數(shù)RLS = 30,NCB = 9 進(jìn)行自動(dòng)劃分，且對(duì)各個(gè)區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行特性參數(shù)的賦 值.熱過(guò)孔詳細(xì)建模如圖8 所示，各個(gè)芯片的功耗見(jiàn)表3.

選 取D33.D7.MOS1.L1 和MOS2 共5 個(gè)芯片，在各個(gè)芯片下面建立一定數(shù)量的熱過(guò)孔，熱過(guò)孔截面大小假定為 0. 5 mm × 0. 5 mm.分別對(duì)5 芯片全帶熱過(guò)孔( All) .刪除D7 熱過(guò)孔( NoD7) .刪除D33 熱過(guò)孔 ( NoD33) 和刪除MOS 熱過(guò)孔( NoMOS) 4 種情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.對(duì)比有無(wú)熱過(guò)孔對(duì)芯片本身及其鄰近芯片散熱的影響，如圖 9 所示.

從 上面的結(jié)果來(lái)看，對(duì)于使用散熱片的D7,建立熱過(guò)孔與否對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大.但對(duì)于不使用散熱片的D33 以及MOS 等芯片，建立熱過(guò)孔與否對(duì)計(jì)算結(jié)果 影響明顯.其原因與前面提到的相同，即不使用散熱片進(jìn)行被動(dòng)散熱的芯片，其大部分熱量需要導(dǎo)入PCB 進(jìn)行散熱，因?yàn)樵黾訜徇^(guò)孔與否對(duì)熱量傳導(dǎo)到 PCB 上的影響明顯，因而也明顯影響到了芯片的溫度計(jì)算結(jié)果.表5 列出了2 個(gè)芯片通過(guò)底部傳到PCB內(nèi)的熱量占總熱量的百分比和受熱過(guò)孔的影響程 度，該表進(jìn)一步驗(yàn)證了上面的分析

4. 2 熱過(guò)孔建模簡(jiǎn)化

實(shí)際的熱過(guò)孔幾何尺寸相對(duì)較小，受網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，在板卡級(jí)別以及系統(tǒng)級(jí)別的散熱仿真中不可能對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的建模，因此，有必要在保證一定精度的前提下，尋找簡(jiǎn)化的建模方法.

基 本的簡(jiǎn)化思路是計(jì)算每個(gè)熱過(guò)孔的截面積以及過(guò)孔數(shù)量，按照截面積相等的原則，簡(jiǎn)化為1 個(gè)或幾個(gè)大的熱過(guò)孔.這樣能保證替代物與詳細(xì)模型有相等的截面積和 體積.但是需要考慮的是，熱過(guò)孔是通過(guò)其側(cè)面與PCB 中各層的接觸進(jìn)行導(dǎo)熱的，在截面積和體積相同時(shí)，孔數(shù)量越多側(cè)面積越大，所以過(guò)于粗略的簡(jiǎn)化，會(huì)使 側(cè)面積過(guò)小.按照截面積相等的原則，分別把熱過(guò)孔簡(jiǎn)化為1 個(gè).2 個(gè).4 個(gè)大過(guò)孔，如圖10 所示.

簡(jiǎn)化后的芯片溫度對(duì)比見(jiàn)表6.

從表6 可以看出，使用4 個(gè)大過(guò)孔替代后的簡(jiǎn)化模型與詳細(xì)模型的計(jì)算差別在1. 2 ℃左右，相當(dāng)于芯片溫升的3%左右，屬于可以接受的誤差范圍.

5 結(jié) 束語(yǔ)1) 基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板級(jí)建模對(duì)于準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)板級(jí)以及芯片級(jí)散熱是必要和有效的;2) 考慮疊層銅分布的PCB 詳細(xì)建模需要對(duì)計(jì)算精度和效率 進(jìn)行平衡;3) 熱過(guò)孔對(duì)于板級(jí)熱仿真結(jié)果的精度影響明顯，直接影響到每個(gè)芯片尤其是不使用散熱片的芯片的散熱;4) 熱過(guò)孔可以通過(guò)截面積相等的原則進(jìn) 行簡(jiǎn)化，但不宜過(guò)粗.

基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板卡建模技術(shù)研究分析表明，兼顧仿真精度與計(jì)算效率的板級(jí)熱仿真技術(shù)可以較精確地預(yù)測(cè)芯片的結(jié)溫和殼溫，為系統(tǒng)級(jí)熱仿真提供更為準(zhǔn)確的局部環(huán)境.