案例應用丨 PCB裸板焦耳熱的電熱協同仿真分析

如今，低電壓、大電流已成為電源設計的趨勢，設計工程師越來越重視電源供電網絡(PDN)的性能。隨著消費類電子產品功能的提升，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計的需求，較大的載流所導致的焦耳熱的影響已不能被忽略，高能耗會導致板子溫升過高，而高溫又會進一步導致PDN的壓降變大、功耗變高，如此反復相互影響，最終可能導致元器件效率降低甚至失效，嚴重時甚至引發板子燒壞，與設計初衷背道而馳。

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權的多物理場仿真平臺PhysimML中的電熱協同仿真軟件PhysimET，能夠預測PCB板在正常工作狀態或極限工作條件下可能出現的壓降、溫度等潛在隱患。例如，壓降引發的元器件過壓或欠壓、電流密度過高導致的局部過熱、溫度梯度過大影響產品效能等。

PhysimET電熱協同仿真的作用

PhysimET電熱協同仿真的作用電熱協同仿真技術的應用，能夠全面考慮電與熱之間的耦合效應，精準地檢測出PCB板中不滿足要求的過孔和布線瓶頸區域;定位PCB板內部電流熱點和壓降不合理點，以便及時規避、優化;評估設計的載流能力等，從而有效降低前期的設計成本和后期的維護成本。

PhysimET應用領域

PhysimET適用于半導體、計算機、通信網絡、汽車電源等行業產品的設計和仿真。

應用場景：

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進行裸板電熱協同仿真，展現如何以簡單的操作步驟實現完整的裸板焦耳熱分析案例。

01 PCB案例模型導入

1.選擇需要仿真的案例并將其導入

打開PhysimML，Load layout，選擇需要仿真的案例并將其導入，此案例為一6層的PCB板，導入后模型如圖1所示。

圖1

02 設置電模塊(DC section)

2.1 選擇仿真的電源網絡和地網絡

在Net Pane中進行操作，本案例網絡選擇如圖2所示。

圖2

2.2 檢查疊層信息，修改相關材料

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率會隨著溫度的變化而變化)，將所有介質層的材料修改為FR4，如圖3所示。

圖3

2.3確定仿真電模型

根據所選的net確定仿真的電模型，并設置其類型為Vsource(源端)、Sink(載端)或Discrete(分立器件)，組成電源回路進行仿真，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 設置電壓值

通過Set up V_Source models設置所選Vsource的電壓值，設置完成后如圖6所示。

圖6

2.5 設置電流值

通過Set up I_Sink models設置所選Sink的電流值，設置完成如圖7所示。

圖7

03 設置熱仿真模塊(Thermal section)

3.1 設置仿真模式

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

圖8

3.2 設置熱仿真的條件

在PhysimET中將熱仿真條件設置為自然對流，環境溫度為25度，本案例不做更改，無需任何操作，至此仿真步驟已經設置完畢，模型的3D視圖如圖9所示。

圖9

04 進行仿真并查看數據圖標

經過上述步驟，整個仿真設置已經完成，點擊Run simulation即可自動進行電熱迭代仿真。

4.1查看電仿真數據表格

仿真結束后，通過View result tables查看電仿真數據表格，壓降、電流、功耗等數據結果一目了然。

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

過孔電流結果云圖

功耗密度結果云圖

溫度分布結果云圖

總結

經過如上操作，即可完成在PhysimML平臺中對PCB設計進行電熱協同仿真。對仿真的結果進行分析，可以有效幫助用戶對電源設計進行優化，縮短開發周期，降低設計成本。

此外，通過PhysimML可以完成多層設計結構，如PCB與封裝的電，熱，電熱，電熱應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能夠協助用戶精準定位潛在問題，預測可能的設計風險，進而優化產品設計，降低設計成本，縮短產品開發周期，最終提升產品的市場競爭力。