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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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(jí)硬件的熱可靠性?

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱分析的問(wèn)題，早已引起了國(guó)內(nèi)外研究部門(mén)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(guò)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(kāi)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(duì)不同的產(chǎn)品類(lèi)型和設(shè)計(jì)階段，熱仿真分為系統(tǒng)級(jí)?板卡級(jí)?芯片級(jí)3 個(gè)層面?板級(jí)熱仿真可對(duì)單板散熱進(jìn)行詳細(xì)建模分析，能較精確地預(yù)測(cè)芯片的結(jié)溫和殼溫，為系統(tǒng)級(jí)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(duì)板級(jí)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(guò)多組仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)了疊層銅分布和熱過(guò)孔建模對(duì)板級(jí)熱仿真的影響?

1 板級(jí)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(jí)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(duì)熱仿真結(jié)果帶來(lái)不可預(yù)知的影響?板級(jí)熱仿真技術(shù)仍存在諸多問(wèn)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(méi)有科學(xué)有效的測(cè)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(jí)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(hào)層，其銅線走線?過(guò)孔設(shè)置?焊盤(pán)分布等直接影響PCB 板的散熱?而以往的熱仿真對(duì)板卡建模過(guò)于簡(jiǎn)化，存在較大偏差，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)芯片溫度?

提高板級(jí)熱仿真的水平能夠大大提高芯片溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)于芯片的壽命評(píng)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(jí)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(jí)、板卡級(jí)和芯片級(jí)3 個(gè)層面。系統(tǒng)級(jí)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(jí)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(jí)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(guò)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(tái)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(lái)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(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，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(duì)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(zhǎng)邊分辨率和銅含量區(qū)段數(shù)) 來(lái)控制離散化的精度?最長(zhǎng)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(duì)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(guò)孔的建模也通過(guò)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(hào)層走線分布分析圖?