基于设计数据共享的板级热仿真技术研究（一）

引言

由于电子设备产品的小型化?轻量化及高热流密度，散热需求对结构?硬件影响很大，直接决定了产品的形态?重量和可靠性，进而决定了产品的市场竞争力?热失效是电子元器件直接由于热因素而完全失去其电气功能的一种失效形式?据统计，电子设备的失效有55% 是因温度超过规定值引起的?热设计的目的就是为芯片?元件?组件及系统提供良好的热环境，防止电子元器件的热失效及保证各级硬件的热可靠性?

对电子设备进行热设计和热分析的问题，早已引起了国内外研究部门的重视?传统的热设计通常是根据经验或应用有限的换热公式进行预先估计，生产出成品后再通过实验来检验?若不能满足要求，就要进行修改，再设计，再生产，再检验?如此反复的设计过程，既浪费时间又浪费原材料?热仿真是实现热设计目的的重要手段，其在产品研发各阶段的合理运用，可以大大降低产品开发后期的整改风险，节约研发成本和时间?针对不同的产品类型和设计阶段，热仿真分为系统级?板卡级?芯片级3 个层面?板级热仿真可对单板散热进行详细建模分析，能较精确地预测芯片的结温和壳温，为系统级热仿真提供更为准确的局部环境，并定量分析单板风阻和风路?

文中基于设计数据共享技术，对板级热仿真技术进行了系统研究，结合实际应用给出了仿真算例?通过多组仿真数据的对比分析，总结了叠层铜分布和热过孔建模对板级热仿真的影响?

1 板级热仿真技术现状

目前，电子设备热仿真受限于网格数量和计算能力，板卡级别的建模仍然比较粗糙，实际板卡与简化的板卡仿真模型之间的差异将对热仿真结果带来不可预知的影响?板级热仿真技术仍存在诸多问题：

1) 板卡芯片热输入数据不统一?不确定?不准确，没有科学有效的测量计算方法?

2) 板卡EDA 模型和热仿真模型未实行信息共享，因而热仿真模型详细建模困难，精度低，不能直接采用板卡EDA 布局?

3) 重视芯片的建模，但不重视板卡的建模，因而板级热仿真精度较差?实际PCB 板由多层组成，各层的铜分布存在局域化不均匀特征，特别是信号层，其铜线走线?过孔设置?焊盘分布等直接影响PCB 板的散热?而以往的热仿真对板卡建模过于简化，存在较大偏差，无法准确预测芯片温度?

提高板级热仿真的水平能够大大提高芯片温度预测的准确性，对于芯片的寿命评估?功耗推算?可靠性失效判断都具有深远意义?因此，提高板级热仿真技术水平显得极为重要和迫切?

2 基于设计数据共享的板卡建模技术

热设计与结构设计、电路板设计紧密相关。热仿真模型分为系统级、板卡级和芯片级3 个层面。系统级热仿真模型需要导入结构设计三维模型; 板卡级热仿真模型需要导入包含芯片信息的电路板模型。结构设计需要板卡级热仿真模型作为输入，以设计板卡毛坯图和板卡相关结构件。通过设计数据共享技术，结构设计模型、板卡EDA 模型、热仿真模型可实现跨平台数据共享，从而减少了重复工作量，提高了效率，保证了设计数据来源的一致性。图1 为设计数据共享技术示意图。

本文以热仿真软件Flotherm 和电路设计软件Candence 为例，阐述板卡建模及仿真技术?Flotherm提供了与Candence 的数据接口，可把板卡设计数据导入热仿真软件中进行处理?PCB 每层的线路分布信息在Flotherm 中以image 的形式表现出来?每层image中的白色部分表面是FR4 绝缘材料部分，黑色部分表示走线，其材料一般为铜?基于数值计算的原理，连续的信息需要进行离散化，因此需要对PCB 的每一层进行平面划分?Flotherm 提供了2 个控制参数( 最长边分辨率和铜含量区段数) 来控制离散化的精度?最长边分辨率( Resolution of Longest Side,RLS) 可以控制每个叠层图像的清晰度; 铜含量区段数( Number of %Cu Bands,NCB) 可以控制铜含量的离散精度?离散化的精细程度需要对结果( 计算精度) 和代价( 所需计算资源和时间) 进行平衡?热过孔的建模也通过这2个参数进行精度控制?图2 和图3 分别为PCB 板Top层铜分布分析图和PCB 板信号层走线分布分析图?