基于設計數據共享的板級熱仿真技術(shù)研究（一）

引言

由于電子設備產(chǎn)品的小型化?輕量化及高熱流密度，散熱需求對結構?硬件影響很大，直接決定了產(chǎn)品的形態(tài)?重量和可靠性，進(jìn)而決定了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力?熱失效是電子元器件直接由于熱因素而完全失去其電氣功能的一種失效形式?據統計，電子設備的失效有55% 是因溫度超過(guò)規定值引起的?熱設計的目的就是為芯片?元件?組件及系統提供良好的熱環(huán)境，防止電子元器件的熱失效及保證各級硬件的熱可靠性?

對電子設備進(jìn)行熱設計和熱分析的問(wèn)題，早已引起了國內外研究部門(mén)的重視?傳統的熱設計通常是根據經(jīng)驗或應用有限的換熱公式進(jìn)行預先估計，生產(chǎn)出成品后再通過(guò)實(shí)驗來(lái)檢驗?若不能滿(mǎn)足要求，就要進(jìn)行修改，再設計，再生產(chǎn)，再檢驗?如此反復的設計過(guò)程，既浪費時(shí)間又浪費原材料?熱仿真是實(shí)現熱設計目的的重要手段，其在產(chǎn)品研發(fā)各階段的合理運用，可以大大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后期的整改風(fēng)險，節約研發(fā)成本和時(shí)間?針對不同的產(chǎn)品類(lèi)型和設計階段，熱仿真分為系統級?板卡級?芯片級3 個(gè)層面?板級熱仿真可對單板散熱進(jìn)行詳細建模分析，能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，并定量分析單板風(fēng)阻和風(fēng)路?

文中基于設計數據共享技術(shù)，對板級熱仿真技術(shù)進(jìn)行了系統研究，結合實(shí)際應用給出了仿真算例?通過(guò)多組仿真數據的對比分析，總結了疊層銅分布和熱過(guò)孔建模對板級熱仿真的影響?

1 板級熱仿真技術(shù)現狀

目前，電子設備熱仿真受限于網(wǎng)格數量和計算能力，板卡級別的建模仍然比較粗糙，實(shí)際板卡與簡(jiǎn)化的板卡仿真模型之間的差異將對熱仿真結果帶來(lái)不可預知的影響?板級熱仿真技術(shù)仍存在諸多問(wèn)題：

1) 板卡芯片熱輸入數據不統一?不確定?不準確，沒(méi)有科學(xué)有效的測量計算方法?

2) 板卡EDA 模型和熱仿真模型未實(shí)行信息共享，因而熱仿真模型詳細建模困難，精度低，不能直接采用板卡EDA 布局?

3) 重視芯片的建模，但不重視板卡的建模，因而板級熱仿真精度較差?實(shí)際PCB 板由多層組成，各層的銅分布存在局域化不均勻特征，特別是信號層，其銅線(xiàn)走線(xiàn)?過(guò)孔設置?焊盤(pán)分布等直接影響PCB 板的散熱?而以往的熱仿真對板卡建模過(guò)于簡(jiǎn)化，存在較大偏差，無(wú)法準確預測芯片溫度?

提高板級熱仿真的水平能夠大大提高芯片溫度預測的準確性，對于芯片的壽命評估?功耗推算?可靠性失效判斷都具有深遠意義?因此，提高板級熱仿真技術(shù)水平顯得極為重要和迫切?

2 基于設計數據共享的板卡建模技術(shù)

熱設計與結構設計、電路板設計緊密相關(guān)。熱仿真模型分為系統級、板卡級和芯片級3 個(gè)層面。系統級熱仿真模型需要導入結構設計三維模型; 板卡級熱仿真模型需要導入包含芯片信息的電路板模型。結構設計需要板卡級熱仿真模型作為輸入，以設計板卡毛坯圖和板卡相關(guān)結構件。通過(guò)設計數據共享技術(shù)，結構設計模型、板卡EDA 模型、熱仿真模型可實(shí)現跨平臺數據共享，從而減少了重復工作量，提高了效率，保證了設計數據來(lái)源的一致性。圖1 為設計數據共享技術(shù)示意圖。

本文以熱仿真軟件Flotherm 和電路設計軟件Candence 為例，闡述板卡建模及仿真技術(shù)?Flotherm提供了與Candence 的數據接口，可把板卡設計數據導入熱仿真軟件中進(jìn)行處理?PCB 每層的線(xiàn)路分布信息在Flotherm 中以image 的形式表現出來(lái)?每層image中的白色部分表面是FR4 絕緣材料部分，黑色部分表示走線(xiàn)，其材料一般為銅?基于數值計算的原理，連續的信息需要進(jìn)行離散化，因此需要對PCB 的每一層進(jìn)行平面劃分?Flotherm 提供了2 個(gè)控制參數( 最長(cháng)邊分辨率和銅含量區段數) 來(lái)控制離散化的精度?最長(cháng)邊分辨率( Resolution of Longest Side,RLS) 可以控制每個(gè)疊層圖像的清晰度; 銅含量區段數( Number of %Cu Bands,NCB) 可以控制銅含量的離散精度?離散化的精細程度需要對結果( 計算精度) 和代價(jià)( 所需計算資源和時(shí)間) 進(jìn)行平衡?熱過(guò)孔的建模也通過(guò)這2個(gè)參數進(jìn)行精度控制?圖2 和圖3 分別為PCB 板Top層銅分布分析圖和PCB 板信號層走線(xiàn)分布分析圖?