基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板級熱仿真技術(shù)研究（一）

引言

由于電子設(shè)備產(chǎn)品的小型化?輕量化及高熱流密度，散熱需求對結(jié)構(gòu)?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(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55% 是因溫度超過規(guī)定值引起的?熱設(shè)計(jì)的目的就是為芯片?元件?組件及系統(tǒng)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(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱分析的問題，早已引起了國內(nèi)外研究部門的重視?傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或應(yīng)用有限的換熱公式進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，生產(chǎn)出成品后再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?若不能滿足要求，就要進(jìn)行修改，再設(shè)計(jì)，再生產(chǎn)，再檢驗(yàn)?如此反復(fù)的設(shè)計(jì)過程，既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)原材料?熱仿真是實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)目的的重要手段，其在產(chǎn)品研發(fā)各階段的合理運(yùn)用，可以大大降低產(chǎn)品開發(fā)后期的整改風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約研發(fā)成本和時(shí)間?針對不同的產(chǎn)品類型和設(shè)計(jì)階段，熱仿真分為系統(tǒng)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(xì)建模分析，能較精確地預(yù)測芯片的結(jié)溫和殼溫，為系統(tǒng)級熱仿真提供更為準(zhǔn)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享技術(shù)，對板級熱仿真技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了仿真算例?通過多組仿真數(shù)據(jù)的對比分析，總結(jié)了疊層銅分布和熱過孔建模對板級熱仿真的影響?

1 板級熱仿真技術(shù)現(xiàn)狀

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

1) 板卡芯片熱輸入數(shù)據(jù)不統(tǒng)一?不確定?不準(zhǔn)確，沒有科學(xué)有效的測量計(jì)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(xì)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，其銅線走線?過孔設(shè)置?焊盤分布等直接影響PCB 板的散熱?而以往的熱仿真對板卡建模過于簡化，存在較大偏差，無法準(zhǔn)確預(yù)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(yù)測的準(zhǔn)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(yuǎn)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板卡建模技術(shù)

熱設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。熱仿真模型分為系統(tǒng)級、板卡級和芯片級3 個(gè)層面。系統(tǒng)級熱仿真模型需要導(dǎo)入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維模型; 板卡級熱仿真模型需要導(dǎo)入包含芯片信息的電路板模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要板卡級熱仿真模型作為輸入，以設(shè)計(jì)板卡毛坯圖和板卡相關(guān)結(jié)構(gòu)件。通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、板卡EDA 模型、熱仿真模型可實(shí)現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)共享，從而減少了重復(fù)工作量，提高了效率，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來源的一致性。圖1 為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享技術(shù)示意圖。

本文以熱仿真軟件Flotherm 和電路設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)接口，可把板卡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱仿真軟件中進(jìn)行處理?PCB 每層的線路分布信息在Flotherm 中以image 的形式表現(xiàn)出來?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，其材料一般為銅?基于數(shù)值計(jì)算的原理，連續(xù)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(shù)( 最長邊分辨率和銅含量區(qū)段數(shù)) 來控制離散化的精度?最長邊分辨率( Resolution of Longest Side,RLS) 可以控制每個(gè)疊層圖像的清晰度; 銅含量區(qū)段數(shù)( Number of %Cu Bands,NCB) 可以控制銅含量的離散精度?離散化的精細(xì)程度需要對結(jié)果( 計(jì)算精度) 和代價(jià)( 所需計(jì)算資源和時(shí)間) 進(jìn)行平衡?熱過孔的建模也通過這2個(gè)參數(shù)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 板信號層走線分布分析圖?