3 疊層銅分布影響研究

系統(tǒng)級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，此差異可能會使系統(tǒng)熱仿真結果產(chǎn)生很大偏差.因此，需要對 PCB 板各疊層的銅分布進行詳細建模與仿真分析.

3. 1 疊層建模對比分析

3. 1. 1 算例描述

以 下通過一個簡化算例對比PCB 疊層詳細建模與簡單建模造成的偏差.以某產(chǎn)品板卡為例進行簡化，分別對板卡疊層進行簡單建模和復雜建模，對比各個芯片溫度 差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設定均一致，邊界條件為開放環(huán)境，水平風速為2 m/s.簡單模型PCB 設定的3 個方向的導熱系數(shù)為 Kx = Ky = 40 W/( m·K) ,Kz = 5 W/( m·K)( 簡稱SIMPLE 40_40_5).詳細模型PCB 使用軟件設定 參數(shù)RLS =50 和NCB =256 進行自動劃分，且對各個區(qū)域進行自動特性參數(shù)賦值( 簡稱PCB 50_256).圖4 為該產(chǎn)品板卡的熱仿真 模型.

3. 1. 2 仿真結果及其分析

仿真溫度結果對比見表1 和圖5.

從上面的對比來看，以往根據(jù)經(jīng)驗設定的簡單模型PCB 設定物性參數(shù)為Kx = Ky = 40,Kz = 5,與實際詳細PCB 計算結果差異很明顯，一般都有6 ℃ ~39 ℃的偏差.

一 個需要注意的細節(jié)是各個芯片計算結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 ℃.這是因為在此模型中D7 表面 使用了散熱片，而其他芯片表面沒有散熱片.沒有使用散熱片的芯片( 如D29) 的散熱途徑主要是通過PCB 板導熱，然后再由PCB 板表面的空氣對流 帶走熱量，所以PCB 板的建模對其結果影響非常明顯.

而D7 由于表面使用了散熱片，主要的散熱途徑是通過芯片表面將熱量傳導到散熱片，通過散熱片表面的空氣對流帶走熱量，所以相對來說PCB 的建模對其結果影響較小.

3. 2 疊層銅分布建模優(yōu)化

3. 2. 1 問題描述

根據(jù)目前的使用經(jīng)驗，PCB 疊層劃分過于精細將帶來下面2 個問題：

1) 網(wǎng) 格數(shù)量與質量.以某產(chǎn)品板卡為例，如果按照RLS = 50 和NCB = 256 對每層進行平面劃分，且每層至少有一層網(wǎng)格進行描述，則單板 PCB 部分的網(wǎng)格數(shù)量將近數(shù)十萬.由于每層的厚度與板卡長寬相差幾個數(shù)量級，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 個不同物性參數(shù)的模型塊拼成.數(shù)量巨大的模型塊無論 是在建模.計算還是后處理過程中都會占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存和顯存，使部分配置不高的計算機工作效率很低，甚至無法進行.因此為了在保證計算精度的前提下提高 計算效率，需對建模的精細化程度進行優(yōu)化研究.

3. 2. 2 算例描述

以前述算例為基準，設定RLS =50 或30,NCB =256或9.2 個參數(shù)分別取2 個值進行搭配，得到4 個算例： PCB 50_256,PCB 50_9,PCB 30_256 和PCB 30_9.

3. 2. 3 仿真結果及其分析

不同疊層劃分精度的仿真溫度對比見表2 和圖6.

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

3. 3 板級與系統(tǒng)級聯(lián)合精確熱仿真

3. 3. 1 算例描述

為 了進一步驗證此簡化方法，在某插箱產(chǎn)品的系統(tǒng)級模型中，選擇散熱狀況最惡劣的槽位對某產(chǎn)品板卡使用PCB 疊層詳細模型，分別帶入 PCB 50_256 和PCB 30_9 進行計算.同時設定PCB 簡化模型，分別設定不同的物性參數(shù) SIMPLE 40_40_5: Kx = Ky = 40,Kz = 5; SIMPLE7_7_1: Kx = Ky =7,Kz =1.

3. 3. 2 仿真結果及其分析

板級與系統(tǒng)級聯(lián)合精確熱仿真結果如圖7 所示.

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

之 前使用的簡化PCB 物性參數(shù)經(jīng)驗設定與實際情況差異較大，但根據(jù)調(diào)試，當設定Kx = Ky = 7,Kz = 1時，與詳細PCB 模型計算結果也很 相近，如果繼續(xù)優(yōu)化，也應該能與詳細模型計算達到較好的吻合.但是這個簡化設定會因實際PCB 設計不同和散熱方式( 自然對流或強迫對流) 不同而改變.[!--empirenews.page--]

4 過孔影響研究

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

4. 1 熱過孔建模影響分析

對某產(chǎn)品板 卡進行簡化，僅僅留下功耗1 W 以上的主要芯片，分別對板卡進行簡單建模和復雜建模，對比各個芯片溫度差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設定均一致，邊界條件為 開放環(huán)境，水平風速為2 m/s.詳細模型PCB 使用軟件設定參數(shù)RLS = 30,NCB = 9 進行自動劃分，且對各個區(qū)域自動進行特性參數(shù)的賦 值.熱過孔詳細建模如圖8 所示，各個芯片的功耗見表3.

選 取D33.D7.MOS1.L1 和MOS2 共5 個芯片，在各個芯片下面建立一定數(shù)量的熱過孔，熱過孔截面大小假定為 0. 5 mm × 0. 5 mm.分別對5 芯片全帶熱過孔( All) .刪除D7 熱過孔( NoD7) .刪除D33 熱過孔 ( NoD33) 和刪除MOS 熱過孔( NoMOS) 4 種情況進行計算，計算結果見表4.對比有無熱過孔對芯片本身及其鄰近芯片散熱的影響，如圖 9 所示.

從 上面的結果來看，對于使用散熱片的D7,建立熱過孔與否對計算結果影響不大.但對于不使用散熱片的D33 以及MOS 等芯片，建立熱過孔與否對計算結果 影響明顯.其原因與前面提到的相同，即不使用散熱片進行被動散熱的芯片，其大部分熱量需要導入PCB 進行散熱，因為增加熱過孔與否對熱量傳導到 PCB 上的影響明顯，因而也明顯影響到了芯片的溫度計算結果.表5 列出了2 個芯片通過底部傳到PCB內(nèi)的熱量占總熱量的百分比和受熱過孔的影響程 度，該表進一步驗證了上面的分析

4. 2 熱過孔建模簡化

實際的熱過孔幾何尺寸相對較小，受網(wǎng)格數(shù)量和計算機計算能力的限制，在板卡級別以及系統(tǒng)級別的散熱仿真中不可能對其進行詳細的建模，因此，有必要在保證一定精度的前提下，尋找簡化的建模方法.

基 本的簡化思路是計算每個熱過孔的截面積以及過孔數(shù)量，按照截面積相等的原則，簡化為1 個或幾個大的熱過孔.這樣能保證替代物與詳細模型有相等的截面積和 體積.但是需要考慮的是，熱過孔是通過其側面與PCB 中各層的接觸進行導熱的，在截面積和體積相同時，孔數(shù)量越多側面積越大，所以過于粗略的簡化，會使 側面積過小.按照截面積相等的原則，分別把熱過孔簡化為1 個.2 個.4 個大過孔，如圖10 所示.

簡化后的芯片溫度對比見表6.

從表6 可以看出，使用4 個大過孔替代后的簡化模型與詳細模型的計算差別在1. 2 ℃左右，相當于芯片溫升的3%左右，屬于可以接受的誤差范圍.

5 結 束語1) 基于設計數(shù)據(jù)共享的板級建模對于準確分析預測板級以及芯片級散熱是必要和有效的;2) 考慮疊層銅分布的PCB 詳細建模需要對計算精度和效率 進行平衡;3) 熱過孔對于板級熱仿真結果的精度影響明顯，直接影響到每個芯片尤其是不使用散熱片的芯片的散熱;4) 熱過孔可以通過截面積相等的原則進 行簡化，但不宜過粗.

基于設計數(shù)據(jù)共享的板卡建模技術研究分析表明，兼顧仿真精度與計算效率的板級熱仿真技術可以較精確地預測芯片的結溫和殼溫，為系統(tǒng)級熱仿真提供更為準確的局部環(huán)境.