基于設計數據共享的板級熱仿真技術(shù)研究（二）

3 疊層銅分布影響研究

系統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.而實(shí)際情 況是多層PCB 板各疊層以及每層不同區域的銅分布不均勻，傳熱能力差異明顯.在某些情況下，此差異可能會(huì )使系統熱仿真結果產(chǎn)生很大偏差.因此，需要對 PCB 板各疊層的銅分布進(jìn)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化算例對比PCB 疊層詳細建模與簡(jiǎn)單建模造成的偏差.以某產(chǎn)品板卡為例進(jìn)行簡(jiǎn)化，分別對板卡疊層進(jìn)行簡(jiǎn)單建模和復雜建模，對比各個(gè)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(kāi)放環(huán)境，水平風(fēng)速為2 m/s.簡(jiǎn)單模型PCB 設定的3 個(gè)方向的導熱系數為 Kx = Ky = 40 W/( m·K) ,Kz = 5 W/( m·K)( 簡(jiǎn)稱(chēng)SIMPLE 40_40_5).詳細模型PCB 使用軟件設定 參數RLS =50 和NCB =256 進(jìn)行自動(dòng)劃分，且對各個(gè)區域進(jìn)行自動(dòng)特性參數賦值( 簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiàn)表1 和圖5.

從上面的對比來(lái)看，以往根據經(jīng)驗設定的簡(jiǎn)單模型PCB 設定物性參數為Kx = Ky = 40,Kz = 5,與實(shí)際詳細PCB 計算結果差異很明顯，一般都有6 ℃ ~39 ℃的偏差.

一 個(gè)需要注意的細節是各個(gè)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(méi)有散熱片.沒(méi)有使用散熱片的芯片( 如D29) 的散熱途徑主要是通過(guò)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(guò)芯片表面將熱量傳導到散熱片，通過(guò)散熱片表面的空氣對流帶走熱量，所以相對來(lái)說(shuō)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(wèn)題描述

根據目前的使用經(jīng)驗，PCB 疊層劃分過(guò)于精細將帶來(lái)下面2 個(gè)問(wèn)題：

1) 網(wǎng) 格數量與質(zhì)量.以某產(chǎn)品板卡為例，如果按照RLS = 50 和NCB = 256 對每層進(jìn)行平面劃分，且每層至少有一層網(wǎng)格進(jìn)行描述，則單板 PCB 部分的網(wǎng)格數量將近數十萬(wàn).由于每層的厚度與板卡長(cháng)寬相差幾個(gè)數量級，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(zhì)量.

2) 模 型塊的數量.如果RLS = 50,NCB = 256,則某產(chǎn)品板卡的PCB 需要由16 000 個(gè)不同物性參數的模型塊拼成.數量巨大的模型塊無(wú)論 是在建模.計算還是后處理過(guò)程中都會(huì )占用大量的系統內存和顯存，使部分配置不高的計算機工作效率很低，甚至無(wú)法進(jìn)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(jìn)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(gè)參數分別取2 個(gè)值進(jìn)行搭配，得到4 個(gè)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(jiàn)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(shí)，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 板級與系統級聯(lián)合精確熱仿真

3. 3. 1 算例描述

為 了進(jìn)一步驗證此簡(jiǎn)化方法，在某插箱產(chǎn)品的系統級模型中，選擇散熱狀況最?lèi)毫拥牟畚粚δ钞a(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(jìn)行計算.同時(shí)設定PCB 簡(jiǎn)化模型，分別設定不同的物性參數 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(shí)際使用過(guò)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(jiǎn)化PCB 物性參數經(jīng)驗設定與實(shí)際情況差異較大，但根據調試，當設定Kx = Ky = 7,Kz = 1時(shí)，與詳細PCB 模型計算結果也很 相近，如果繼續優(yōu)化，也應該能與詳細模型計算達到較好的吻合.但是這個(gè)簡(jiǎn)化設定會(huì )因實(shí)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.