案例应用丨裕兴木兰PhySim ML：对PCB添加热源器件实现板级电热协同分析

随着科技的迅速发展，消费类电子产品的功能性需求日渐增强，PCB板载流需求日渐变大，热管理问题变的尤为突出，局部电流密度过大、板子温升过高等情况对电子产品的稳定性和功能性影响颇大，轻则元器件效率降低，重则板子完全失效。为了提前规避这类设计问题，在设计初期通过直流电热仿真软件对PCB进行仿真模拟无疑是最佳选择，可以快速、高效、低成本的分析PCB正常或极限运作状态下的电、热特性，从而进一步优化PCB板的设计，提高其散热性能，减少热点问题。由于板子的设计日渐趋向精益、复杂、效率化，仅考虑由于板子运行的功耗带来的焦耳热已经不能满足设计的需求，某些核心的元器件比如CPU、GPU、PMIC等本身的功耗也不可小觑，因此需要额外在电热协同仿真案例模型中加入热源器件的概念，将元器件自身的功耗参与仿真计算，在焦耳热的基础上考虑元器件自发热的情况，使仿真案例无限接近实际模型，帮助工程师对元器件进行合理的布局，并设计相应的散热结构，选择最优的散热解决方案，以确保PCB板在长时间高负载工作下能够保持稳定的工作温度，避免在生产阶段出现问题需要重新设计或更换零部件，从而节约调整成本和时间，提高电子产品的安全性、功能性以及市场竞争力。

PhysimML是芯瑞微推出的具有自主知识产权的多物理场仿真平台。在PhysimML仿真平台上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，帮助用户及时定位问题，预测潜在设计隐患，优化产品设计，降低设计成本，缩短开发周期，提高电子产品的竞争力。

PhysimML多物理场平台中的电热协同仿真软件PhysimET支持添加热源器件进行直流电热仿真，综合考虑焦耳热和元器件自发热的相互影响，最大程度还原实际应用场景，本文将以实例演示如何使用PhysimET对PCB板添加热源器件实现板级电热协同仿真。

仿真设置步骤
1.PCB案例模型导入。 
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

2.设置电仿真模块（DC section）

2.1电热协同仿真分为电、热两个模块，首先设置电模块(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，PhysimET提供可供用户使用的材料库，库中包含常见的具有电热属性的材料，如图3所示：

图3

本案例未修改叠层厚度，将所有金属层和介质层的材料修改为具有电热属性的材料，如图4所示：

图4

2.3 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，具体如图5所示：

图5

随后提取本案例的电源树模型，查看电路模型，如图6所示：

图6

2.4 通过Set up V_Source models设置所选Vsource的电压值，设置完成后如图7所示：

图7

2.5 通过Set up I_Sink models设置所选Sink的电流值，设置完成如图8所示：

图8

3.设置热仿真模块(Thermal section)

3.1本案例的热仿真模式为添加热源器件参与仿真，首先点击指定一个元器件，本案例以U2A5为例，将其类型TCompType设置为Active;随后选择其Package的连接方式，本文以焊锡球式为例，将PKG attach设置为Solder Balls，如图9所示：

图9

3.2 对热源器件进行建模，分别是其Die、Package以及Mold的尺寸和材料，设置完成后3D模型示意如图10所示：

图10

3.3 设置热源器件的功耗，即设定其自身的功耗，本案例将CPU选为热源器件，其功耗设置为1.5W，设置完成后如图11所示：

图11

3.4 由于在步骤3.1中选择Package的连接方式为Solder ball，因此需要设置焊锡球的相关参数，包括焊锡球的尺寸和材料，设置完成后如图12所示：

图12

3.5 最后设置热仿真的条件，在PhysimET中将其设置为自然对流，环境温度为25度，如图13所示：

图13
 

4.仿真结果

经过上述步骤，整个仿真设置已经完成，点击Run simulation即可进行仿真。
仿真结束后通过View result tables查看电仿真数据表格，对于压降、电流、功耗等数据结果一目了然，如图14所示。

图14

4.2 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，如下列图示：

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：使用PhysimET对PCB添加热源器件后进行板级电热协同仿真，充分考虑裸板焦耳热和自发热元器件之间的相互影响，使仿真模型无限贴近于实际模型，帮助用户分析并规避设计中可能存在的压降过大、局部电流密度过高、温升过高等潜在隐患，选择最优的散热方案和载流方案，缩短产品的迭代周期，提高产品的市场竞争力。

PhysimET适配于多个电热协同仿真应用场景，支持多种不同热仿真条件的设置，详细案例将在后续推文中展示，如欲了解更多电热协同仿真实例及实操方法，请关注我司公众号，敬请期待!