案例應(yīng)用丨 PCB裸板焦耳熱的電熱協(xié)同仿真分析

如今，低電壓、大電流已成為電源設(shè)計的趨勢，設(shè)計工程師越來越重視電源供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)的性能。隨著消費類電子產(chǎn)品功能的提升，對PCB板載流能力的要求越來越高，熱管理問題變的越來越突出，僅考慮電性能已不能滿足電子設(shè)計的需求，較大的載流所導(dǎo)致的焦耳熱的影響已不能被忽略，高能耗會導(dǎo)致板子溫升過高，而高溫又會進(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)重時甚至引發(fā)板子燒壞，與設(shè)計初衷背道而馳。

直流電熱分析的必要性與重要性

在這種趨勢下，對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產(chǎn)權(quán)的多物理場仿真平臺PhysimML中的電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET，能夠預(yù)測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)的元器件過壓或欠壓、電流密度過高導(dǎo)致的局部過熱、溫度梯度過大影響產(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)地檢測出PCB板中不滿足要求的過孔和布線瓶頸區(qū)域;定位PCB板內(nèi)部電流熱點和壓降不合理點，以便及時規(guī)避、優(yōu)化;評估設(shè)計的載流能力等，從而有效降低前期的設(shè)計成本和后期的維護(hù)成本。

PhysimET應(yīng)用領(lǐng)域

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

應(yīng)用場景：

電子元件、芯片、芯片封裝、散熱器的電熱分析

PCB板級的電熱分析

芯片級、板級電熱仿真分析場景

 

實例演示  PhysimET

本文將以實例演示如何使用PhysimML多物理場仿真平臺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)如何以簡單的操作步驟實現(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，本案例沒有涉及到Discrete，故不做選擇，具體電模型的類型設(shè)置如圖4所示，提取本案例的電源樹模型如圖5所示。

圖4

圖5

2.4 設(shè)置電壓值

通過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)置為自然對流，環(huán)境溫度為25度，本案例不做更改，無需任何操作，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)過上述步驟，整個仿真設(shè)置已經(jīng)完成，點擊Run simulation即可自動進(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2D仿真云圖

通過View 2D results即可查看各類2D仿真云圖，包括電壓云圖、電流密度云圖、過孔電流云圖、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)過如上操作，即可完成在PhysimML平臺中對PCB設(shè)計進(jìn)行電熱協(xié)同仿真。對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，可以有效幫助用戶對電源設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計成本。

此外，通過PhysimML可以完成多層設(shè)計結(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仿真分析,一站式解決板級、封裝級的多物理場仿真場景。PhysimML能夠協(xié)助用戶精準(zhǔn)定位潛在問題，預(yù)測可能的設(shè)計風(fēng)險，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，降低設(shè)計成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，最終提升產(chǎn)品的市場競爭力。