技术分享丨PCB电热仿真方法及实例分析

allanwei1984 · 发表于 2022-5-17 08:41

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本帖最后由 Heaven_1 于 2022-5-17 19:30 编辑

如今电子产品及其相关产业正在追求小型化、集成化、高频高速率，电路板上的元器件功率越来越大，同时高密度封装和组装使得元器件的散热空间越来越小，导致热流密度急剧增高。因此作为元器件散热载体的电路板，需要详细分析其散热特性，保证产品的性能和可靠性。

由于电热效应相互影响，电路板上的走线、平面、过孔等产生的焦耳热会影响温度分布，而且如今的电子产品设计中电流越来越大，会进一步增加电热耦合的影响。反过来，温度升高会导致电阻的增大，带来更高的直流压降从而影响元器件供电。因此这两个问题必须同时得到模拟和解决。

板级的传热问题包含了丰富的对流与传导现象，集成电路、封装、电路板、散热器之间的散热主要是热传导问题，而上述因素和环境（气体或液体）之间的散热则是热对流问题。因此，对于板级热分析来讲，不仅要同时分析电气和热物理领域，更要兼顾热传导分析和热对流分析，需要的是一个多物理场的仿真解决方案。

FEA（有限元分析）求解器是用于热传导电热耦合分析的，该方法以传热系数为边界条件，以简化的方式考虑对流和辐射效应，详细模拟固体内部的传导问题，可以在短时间内获得高精度的热传导分析结果。另一种CFD（计算流体动力学）求解器用于热对流和热辐射模拟，通过流体流动的实际模拟（如风扇吹过PCB上的空气）进行对流和辐射的详细建模，但该方法在处理传导问题时，要求尽量简化设计，所以达不到FEA的求解精度和效率。因此我们可以同时使用上述两种仿真方法进行热分析工作，达到优势互补的目的。

FEA求解器主要解决的区域

CFD求解器主要解决的区域

本文章以cadence的Celsius Thermal Solver作为仿真工具，利用它的FEA-CFD电热仿真流程实施分析工作，流程图如下所示：

导入PCB文件，进行电与热相关的参数设置，运行FEA仿真，得到包含PCB各区域功率耗散的简化仿真模型，再导入到CFD求解器中，添加风扇、机箱等结构实施CFD仿真，结果保存为一个CFD模型，代表设置环境（自然环境、风冷或水冷等）下的真实传热系数，再回到FEA求解器中导入CFD模型作为边界条件，重新执行电热仿真，最后得到精确的电热仿真结果。

下面以一个PCB热仿真实例，详细说明仿真步骤。

① FEA求解器提取简化模型

启动Cadence Celsius Thermal Solver，选择并打开Solid Objects Simulation for Layered Structures模块，该模块就是基于FEA求解仿真层状结构（PCB板）。1 i& M1 \2 g) v3 g- ^$ O/ r0 {

选择菜单栏中Tools > Options > Edit Options，在Translator一栏中使能下图中的两项，保证板框按照design outline、器件尺寸按照place bound定义。8 c# j1 \; ?, V* a! e+ A

在软件界面左侧向导中选择Load Layout File，导入.brd格式的PCB文件，将PCB文件转换为.spd格式的仿真文件。8 u4 [! J8 c+ n/ F" y

在向导中使能Enable E/T Co-Simulation Mode选项，选择电热耦合仿真模式。
点击Check Stackup，打开层叠管理界面，检查并设置层叠厚度和材料属性，其中每一层的fill-in填充材料务必设置。此外，点击Pad Stack打开焊盘编辑界面，设置所有的焊盘过孔材料为copper。
7 _, R2 u$ P- U

设置电气参数，包括VRM和Sink的定义，通过使能的网络（电源VCC和地网络GND）和器件自动生成VRM和Sink，其中VRM电压为5V，板中所有用电负载电流为2A（参数均为举例）。3 U, J7 p/ v& w! d2 M

设置环境温度和边界条件，环境温度为25℃，环境风速为0，PCB板水平放置。这里没有设置自然环境的换热系数，因为该步骤主要是为了提取用于CFD放置的功率耗散简化模型，后面用CFD计算出真实的换热系数后，会再回到FEA环境中重新计算。6 j L3 t, f8 W8 j0 v

勾选作为发热件的所有器件，设置每个器件的尺寸参数，包括长宽、厚度，点击Calc Outline and Position，软件会自动根据place bound得到器件的尺寸。
8 \. L# y0 }1 G1 Q1 Q( ^% b0 g% m1 x

设置每个发热器件的属性，可以是热阻模型参数、也可以是定义元器件的等效材料，这里设置器件的材料为MoldingCompound。
z) v5 S. Z7 D( I6 \2 N) U5 {

设置每个发热器件的功率值，所有器件功率如下图。
) E# H$ U1 C+ [# u3 I, O/ A& w' U

点击向导中的Set up Thermal Simulation，打开Thermal Simulation Options，选择Generate Simplified CFD Model，勾选Generate CFD Model选项代表仿真结束后会输出一个供CFD仿真的模型，设置NX和NY两个值，表示将PCB划分为多少个计算功率耗散的区域，区域越多，模型越精细，这里设置为10X10。
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设置计算资源，可选分布式计算或单机计算，设置计算机核心数量和内存，检查是否存在错误，保存仿真文件，然后点击Start Simulation进行仿真。仿真结果的3D热分布图如下所示，可见器件U99的最高温度已经达到170℃，这个温度是不可接受的，因此下面我们在CFD求解器中使用风扇降低这个温度。3 Y3 g w' N% z, D! I g6 S6 x

刚才的仿真结束后，会在工程目录下生成一个.xml格式的简化模型，用于后面的CFD仿真。: b. i( O7 n4 H$ ]0 |! J9 h

② CFD求解器提取CFD模型

Fluid Flow Simulation模块，该模块就是基于CFD求解仿真流体。, U/ Q" [; l9 `; H* g6 S m" `% N

Modeller> Import Simplifed Model,导入前面生成的.xml格式的简化模型，导入的模型包含PCB和元器件的简化块结构、材料属性、功耗、终端定义等。
5 H' K0 ?9 f# |6 E# d

Tools> Edit Library > Material，从库中选择aluminum铝材料并点击Export to Design输出到工程模型里。" V$ |& A! o, V( B! K/ r

From Design栏中的所有102种材料，右键并选择Bulk Edit，设置Emissivity参数为0.9。该步骤在本案例强迫对流（风扇）应用中并不重要，但如果是仿真自然对流的情况则十分重要。
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CFD Component下的上下前后左右所有Chassis部件，勾选Installed，说明加入机箱结构，并设置材料、厚度、尺寸和位置参数如下。
1 }% I5 N, n& ~

Chassis下面，点击Chassis_Back右键，选择Add Axial Fan，在机箱Back一侧添加2个风扇，风扇参数设置如下。
: x+ E) X& } V" ~# T A. R* N* C

Chassis_Front右键，选择Add Opening，在机箱Front一侧添加4个通风孔，通风孔参数设置如下。4 Q; c: R0 l' }8 o3 z% Q% b8 L

在CFD Component下面选择Test_Chamber,设置边界盒子，尺寸如下。
5 r# T$ \% x3 s' b, R! K# ~: B

Simulation> Options > Simulation Options，设置静态分析中最大迭代数为200，环境温度设置为25℃。

Solver Options，设置CPU最大使用率为67%，Turbulence Model选择Standard K-e model（自然对流使用层流，强制对流使用标准K-e模型），设置Convergence Control为Residual Only。
- ]2 C& b, H$ ^6 i4 u, S

保存工程，点击红色三角形符合开始仿真，仿真结束可以右键Result Summary查看结果。在工程目录下***_EX_CFD文件夹中会自动生成一个包含强制对流的CFD模型。
0 [) E; _* u z' P1 J: V

③ 导入CFD模型到FEA求解器中实施最终电热仿真

FEA求解器的PCB板仿真中，打开之前仿真过设置好的demo.spd文件，在workflow中点击Set up Thermal Simulation，选择Generate Simplified CFD Model界面，取消Generate CFD Model的勾选。: K8 A. E% C0 u% d6 g N

选择Setup Heat Transfer Coefficients界面，使能Use Defined CFD File选项，点击Browse，指向刚才CFD仿真生成的.cfd文件，点击Auto-match by Terminal Name，这样通过CFD仿真得到的、真实准确的换热系数就应用到PCB和元器件表面作为边界条件了。
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