基于設計數據共享的板級熱仿真技術(shù)研究（二）

4 過(guò)孔影響研究

根 據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(lèi)： 使用散熱片或以主動(dòng)散熱為主的芯片，不使用散熱片或以被動(dòng)散熱為主的芯片.對于后一類(lèi)， 散熱的主要途徑主要是熱傳導，大部分熱量通過(guò)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(guò)PCB 板的上下表面與空 氣進(jìn)行對流換熱.在此過(guò)程中，熱量首先從芯片通過(guò)熱過(guò)孔向下傳導到PCB 內部，然后才是PCB 內部的導熱.所以要保證板級熱仿真的精度，不僅需要對 PCB板內部各疊層的銅分布進(jìn)行詳細建模，還需要對熱過(guò)孔的建模進(jìn)行研究.

4. 1 熱過(guò)孔建模影響分析

對某產(chǎn)品板 卡進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅僅留下功耗1 W 以上的主要芯片，分別對板卡進(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.詳細模型PCB 使用軟件設定參數RLS = 30,NCB = 9 進(jìn)行自動(dòng)劃分，且對各個(gè)區域自動(dòng)進(jìn)行特性參數的賦 值.熱過(guò)孔詳細建模如圖8 所示，各個(gè)芯片的功耗見(jiàn)表3.

選 取D33.D7.MOS1.L1 和MOS2 共5 個(gè)芯片，在各個(gè)芯片下面建立一定數量的熱過(guò)孔，熱過(guò)孔截面大小假定為 0. 5 mm × 0. 5 mm.分別對5 芯片全帶熱過(guò)孔( All) .刪除D7 熱過(guò)孔( NoD7) .刪除D33 熱過(guò)孔 ( NoD33) 和刪除MOS 熱過(guò)孔( NoMOS) 4 種情況進(jìn)行計算，計算結果見(jiàn)表4.對比有無(wú)熱過(guò)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(lái)看，對于使用散熱片的D7,建立熱過(guò)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(guò)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(jìn)行被動(dòng)散熱的芯片，其大部分熱量需要導入PCB 進(jìn)行散熱，因為增加熱過(guò)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(gè)芯片通過(guò)底部傳到PCB內的熱量占總熱量的百分比和受熱過(guò)孔的影響程 度，該表進(jìn)一步驗證了上面的分析

4. 2 熱過(guò)孔建模簡(jiǎn)化

實(shí)際的熱過(guò)孔幾何尺寸相對較小，受網(wǎng)格數量和計算機計算能力的限制，在板卡級別以及系統級別的散熱仿真中不可能對其進(jìn)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(jiǎn)化的建模方法.

基 本的簡(jiǎn)化思路是計算每個(gè)熱過(guò)孔的截面積以及過(guò)孔數量，按照截面積相等的原則，簡(jiǎn)化為1 個(gè)或幾個(gè)大的熱過(guò)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(guò)孔是通過(guò)其側面與PCB 中各層的接觸進(jìn)行導熱的，在截面積和體積相同時(shí)，孔數量越多側面積越大，所以過(guò)于粗略的簡(jiǎn)化，會(huì )使 側面積過(guò)小.按照截面積相等的原則，分別把熱過(guò)孔簡(jiǎn)化為1 個(gè).2 個(gè).4 個(gè)大過(guò)孔，如圖10 所示.

簡(jiǎn)化后的芯片溫度對比見(jiàn)表6.

從表6 可以看出，使用4 個(gè)大過(guò)孔替代后的簡(jiǎn)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(yǔ)1) 基于設計數據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(jìn)行平衡;3) 熱過(guò)孔對于板級熱仿真結果的精度影響明顯，直接影響到每個(gè)芯片尤其是不使用散熱片的芯片的散熱;4) 熱過(guò)孔可以通過(guò)截面積相等的原則進(jìn) 行簡(jiǎn)化，但不宜過(guò)粗.

基于設計數據共享的板卡建模技術(shù)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(shù)可以較精確地預測芯片的結溫和殼溫，為系統級熱仿真提供更為準確的局部環(huán)境.