案例應用丨裕興木蘭PhySim ML：對PCB添加熱源器件實現板級電熱協同分析

隨著科技的迅速發展，消費類電子產品的功能性需求日漸增強，PCB板載流需求日漸變大，熱管理問題變的尤為突出，局部電流密度過大、板子溫升過高等情況對電子產品的穩定性和功能性影響頗大，輕則元器件效率降低，重則板子完全失效。為了提前規避這類設計問題，在設計初期通過直流電熱仿真軟件對PCB進行仿真模擬無疑是最佳選擇，可以快速、高效、低成本的分析PCB正常或極限運作狀態下的電、熱特性，從而進一步優化PCB板的設計，提高其散熱性能，減少熱點問題。由于板子的設計日漸趨向精益、復雜、效率化，僅考慮由于板子運行的功耗帶來的焦耳熱已經不能滿足設計的需求，某些核心的元器件比如CPU、GPU、PMIC等本身的功耗也不可小覷，因此需要額外在電熱協同仿真案例模型中加入熱源器件的概念，將元器件自身的功耗參與仿真計算，在焦耳熱的基礎上考慮元器件自發熱的情況，使仿真案例無限接近實際模型，幫助工程師對元器件進行合理的布局，并設計相應的散熱結構，選擇最優的散熱解決方案，以確保PCB板在長時間高負載工作下能夠保持穩定的工作溫度，避免在生產階段出現問題需要重新設計或更換零部件，從而節約調整成本和時間，提高電子產品的安全性、功能性以及市場競爭力。

PhysimML是芯瑞微推出的具有自主知識產權的多物理場仿真平臺。在PhysimML仿真平臺上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，幫助用戶及時定位問題，預測潛在設計隱患，優化產品設計，降低設計成本，縮短開發周期，提高電子產品的競爭力。

PhysimML多物理場平臺中的電熱協同仿真軟件PhysimET支持添加熱源器件進行直流電熱仿真，綜合考慮焦耳熱和元器件自發熱的相互影響，最大程度還原實際應用場景，本文將以實例演示如何使用PhysimET對PCB板添加熱源器件實現板級電熱協同仿真。

仿真設置步驟
1.PCB案例模型導入。 
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

2.設置電仿真模塊（DC section）

2.1電熱協同仿真分為電、熱兩個模塊，首先設置電模塊(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，PhysimET提供可供用戶使用的材料庫，庫中包含常見的具有電熱屬性的材料，如圖3所示：

圖3

本案例未修改疊層厚度，將所有金屬層和介質層的材料修改為具有電熱屬性的材料，如圖4所示：

圖4

2.3 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，具體如圖5所示：

圖5

隨后提取本案例的電源樹模型，查看電路模型，如圖6所示：

圖6

2.4 通過Set up V_Source models設置所選Vsource的電壓值，設置完成后如圖7所示：

圖7

2.5 通過Set up I_Sink models設置所選Sink的電流值，設置完成如圖8所示：

圖8

3.設置熱仿真模塊(Thermal section)

3.1本案例的熱仿真模式為添加熱源器件參與仿真，首先點擊指定一個元器件，本案例以U2A5為例，將其類型TCompType設置為Active;隨后選擇其Package的連接方式，本文以焊錫球式為例，將PKG attach設置為Solder Balls，如圖9所示：

圖9

3.2 對熱源器件進行建模，分別是其Die、Package以及Mold的尺寸和材料，設置完成后3D模型示意如圖10所示：

圖10

3.3 設置熱源器件的功耗，即設定其自身的功耗，本案例將CPU選為熱源器件，其功耗設置為1.5W，設置完成后如圖11所示：

圖11

3.4 由于在步驟3.1中選擇Package的連接方式為Solder ball，因此需要設置焊錫球的相關參數，包括焊錫球的尺寸和材料，設置完成后如圖12所示：

圖12

3.5 最后設置熱仿真的條件，在PhysimET中將其設置為自然對流，環境溫度為25度，如圖13所示：

圖13
 

4.仿真結果

經過上述步驟，整個仿真設置已經完成，點擊Run simulation即可進行仿真。
仿真結束后通過View result tables查看電仿真數據表格，對于壓降、電流、功耗等數據結果一目了然，如圖14所示。

圖14

4.2 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，如下列圖示：

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：使用PhysimET對PCB添加熱源器件后進行板級電熱協同仿真，充分考慮裸板焦耳熱和自發熱元器件之間的相互影響，使仿真模型無限貼近于實際模型，幫助用戶分析并規避設計中可能存在的壓降過大、局部電流密度過高、溫升過高等潛在隱患，選擇最優的散熱方案和載流方案，縮短產品的迭代周期，提高產品的市場競爭力。

PhysimET適配于多個電熱協同仿真應用場景，支持多種不同熱仿真條件的設置，詳細案例將在后續推文中展示，如欲了解更多電熱協同仿真實例及實操方法，請關注我司公眾號，敬請期待!