案例应用丨 PCB裸板焦耳热的电热协同仿真分析

如今，低电压、大电流已成为电源设计的趋势，设计工程师越来越重视电源供电网络(PDN)的性能。随着消费类电子产品功能的提升，对PCB板载流能力的要求越来越高，热管理问题变的越来越突出，仅考虑电性能已不能满足电子设计的需求，较大的载流所导致的焦耳热的影响已不能被忽略，高能耗会导致板子温升过高，而高温又会进一步导致PDN的压降变大、功耗变高，如此反复相互影响，最终可能导致元器件效率降低甚至失效，严重时甚至引发板子烧坏，与设计初衷背道而驰。

直流电热分析的必要性与重要性

在这种趋势下，对PCB板进行直流电热分析的必要性与重要性显得尤为突出。芯瑞微(上海)电子科技有限公司推出的具有自主知识产权的多物理场仿真平台PhysimML中的电热协同仿真软件PhysimET，能够预测PCB板在正常工作状态或极限工作条件下可能出现的压降、温度等潜在隐患。例如，压降引发的元器件过压或欠压、电流密度过高导致的局部过热、温度梯度过大影响产品效能等。

PhysimET电热协同仿真的作用

PhysimET电热协同仿真的作用电热协同仿真技术的应用，能够全面考虑电与热之间的耦合效应，精准地检测出PCB板中不满足要求的过孔和布线瓶颈区域;定位PCB板内部电流热点和压降不合理点，以便及时规避、优化;评估设计的载流能力等，从而有效降低前期的设计成本和后期的维护成本。

PhysimET应用领域

PhysimET适用于半导体、计算机、通信网络、汽车电源等行业产品的设计和仿真。

应用场景：

电子元件、芯片、芯片封装、散热器的电热分析

PCB板级的电热分析

芯片级、板级电热仿真分析场景

 

实例演示  PhysimET

本文将以实例演示如何使用PhysimML多物理场仿真平台中的直流电热仿真软件PhysimET进行裸板电热协同仿真，展现如何以简单的操作步骤实现完整的裸板焦耳热分析案例。

01 PCB案例模型导入

1.选择需要仿真的案例并将其导入

打开PhysimML，Load layout，选择需要仿真的案例并将其导入，此案例为一6层的PCB板，导入后模型如图1所示。

图1

02 设置电模块(DC section)

2.1 选择仿真的电源网络和地网络

在Net Pane中进行操作，本案例网络选择如图2所示。

图2

2.2 检查叠层信息，修改相关材料

本案例未修改叠层厚度，将所有金属层的材料修改为具有电热属性的copper_20(电热属性即为其电导率会随着温度的变化而变化)，将所有介质层的材料修改为FR4，如图3所示。

图3

2.3确定仿真电模型

根据所选的net确定仿真的电模型，并设置其类型为Vsource(源端)、Sink(载端)或Discrete(分立器件)，组成电源回路进行仿真，本案例没有涉及到Discrete，故不做选择，具体电模型的类型设置如图4所示，提取本案例的电源树模型如图5所示。

图4

图5

2.4 设置电压值

通过Set up V_Source models设置所选Vsource的电压值，设置完成后如图6所示。

图6

2.5 设置电流值

通过Set up I_Sink models设置所选Sink的电流值，设置完成如图7所示。

图7

03 设置热仿真模块(Thermal section)

3.1 设置仿真模式

本案例的热仿真模式为裸板铜皮发热，在设置界面选择No T-component, joule heating only即可。

图8

3.2 设置热仿真的条件

在PhysimET中将热仿真条件设置为自然对流，环境温度为25度，本案例不做更改，无需任何操作，至此仿真步骤已经设置完毕，模型的3D视图如图9所示。

图9

04 进行仿真并查看数据图标

经过上述步骤，整个仿真设置已经完成，点击Run simulation即可自动进行电热迭代仿真。

4.1查看电仿真数据表格

仿真结束后，通过View result tables查看电仿真数据表格，压降、电流、功耗等数据结果一目了然。

图10

4.2 查看各类2D仿真云图

通过View 2D results即可查看各类2D仿真云图，包括电压云图、电流密度云图、过孔电流云图、功耗密度云图以及温度云图。

仿真电压云图

仿真电流密度云图

过孔电流结果云图

功耗密度结果云图

温度分布结果云图

总结

经过如上操作，即可完成在PhysimML平台中对PCB设计进行电热协同仿真。对仿真的结果进行分析，可以有效帮助用户对电源设计进行优化，缩短开发周期，降低设计成本。

此外，通过PhysimML可以完成多层设计结构，如PCB与封装的电，热，电热，电热应力以及电热磁的多物理场仿真分析,一站式解决板级、封装级的多物理场仿真场景。PhysimML能够协助用户精准定位潜在问题，预测可能的设计风险，进而优化产品设计，降低设计成本，缩短产品开发周期，最终提升产品的市场竞争力。