如今，低電壓、大電流已成為電源設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)工程師越來(lái)越重視電源供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)的性能。隨著消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品功能的提升，對(duì)PCB板載流能力的要求越來(lái)越高，熱管理問(wèn)題變的越來(lái)越突出，僅考慮電性能已不能滿(mǎn)足電子設(shè)計(jì)的需求，較大的載流所導(dǎo)致的焦耳熱的影響已不能被忽略，高能耗會(huì)導(dǎo)致板子溫升過(guò)高，而高溫又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致PDN的壓降變大、功耗變高，如此反復(fù)相互影響，最終可能導(dǎo)致元器件效率降低甚至失效，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)板子燒壞，與設(shè)計(jì)初衷背道而馳。

直流電熱分析的必要性與重要性

在這種趨勢(shì)下，對(duì)PCB板進(jìn)行直流電熱分析的必要性與重要性顯得尤為突出。芯瑞微(上海)電子科技有限公司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)PhysimML中的電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET，能夠預(yù)測(cè)PCB板在正常工作狀態(tài)或極限工作條件下可能出現(xiàn)的壓降、溫度等潛在隱患。例如，壓降引發(fā)的元器件過(guò)壓或欠壓、電流密度過(guò)高導(dǎo)致的局部過(guò)熱、溫度梯度過(guò)大影響產(chǎn)品效能等。

PhysimET電熱協(xié)同仿真的作用

PhysimET電熱協(xié)同仿真的作用電熱協(xié)同仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠全面考慮電與熱之間的耦合效應(yīng)，精準(zhǔn)地檢測(cè)出PCB板中不滿(mǎn)足要求的過(guò)孔和布線瓶頸區(qū)域;定位PCB板內(nèi)部電流熱點(diǎn)和壓降不合理點(diǎn)，以便及時(shí)規(guī)避、優(yōu)化;評(píng)估設(shè)計(jì)的載流能力等，從而有效降低前期的設(shè)計(jì)成本和后期的維護(hù)成本。

PhysimET應(yīng)用領(lǐng)域

PhysimET適用于半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、汽車(chē)電源等行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真。

應(yīng)用場(chǎng)景：

電子元件、芯片、芯片封裝、散熱器的電熱分析

PCB板級(jí)的電熱分析

芯片級(jí)、板級(jí)電熱仿真分析場(chǎng)景

實(shí)例演示  PhysimET

本文將以實(shí)例演示如何使用PhysimML多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)中的直流電熱仿真軟件PhysimET進(jìn)行裸板電熱協(xié)同仿真，展現(xiàn)如何以簡(jiǎn)單的操作步驟實(shí)現(xiàn)完整的裸板焦耳熱分析案例。

01 PCB案例模型導(dǎo)入

1.選擇需要仿真的案例并將其導(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

02 設(shè)置電模塊(DC section)

2.1 選擇仿真的電源網(wǎng)絡(luò)和地網(wǎng)絡(luò)

在Net Pane中進(jìn)行操作，本案例網(wǎng)絡(luò)選擇如圖2所示。

圖2

2.2 檢查疊層信息，修改相關(guān)材料

本案例未修改疊層厚度，將所有金屬層的材料修改為具有電熱屬性的copper_20(電熱屬性即為其電導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的變化而變化)，將所有介質(zhì)層的材料修改為FR4，如圖3所示。

圖3

2.3確定仿真電模型

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，具體電模型的類(lèi)型設(shè)置如圖4所示，提取本案例的電源樹(shù)模型如圖5所示。

圖4

圖5

2.4 設(shè)置電壓值

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6所示。

圖6

2.5 設(shè)置電流值

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7所示。

圖7

03 設(shè)置熱仿真模塊(Thermal section)

3.1 設(shè)置仿真模式

本案例的熱仿真模式為裸板銅皮發(fā)熱，在設(shè)置界面選擇No T-component, joule heating only即可。

圖8

3.2 設(shè)置熱仿真的條件

在PhysimET中將熱仿真條件設(shè)置為自然對(duì)流，環(huán)境溫度為25度，本案例不做更改，無(wú)需任何操作，至此仿真步驟已經(jīng)設(shè)置完畢，模型的3D視圖如圖9所示。

圖9

04 進(jìn)行仿真并查看數(shù)據(jù)圖標(biāo)

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即可自動(dòng)進(jìn)行電熱迭代仿真。

4.1查看電仿真數(shù)據(jù)表格

仿真結(jié)束后，通過(guò)View result tables查看電仿真數(shù)據(jù)表格，壓降、電流、功耗等數(shù)據(jù)結(jié)果一目了然。

圖10

4.2 查看各類(lèi)2D仿真云圖

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。

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)

經(jīng)過(guò)如上操作，即可完成在PhysimML平臺(tái)中對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行電熱協(xié)同仿真。對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，可以有效幫助用戶(hù)對(duì)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本。

此外，通過(guò)PhysimML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。PhysimML能夠協(xié)助用戶(hù)精準(zhǔn)定位潛在問(wèn)題，預(yù)測(cè)可能的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，最終提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。