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如今电子产品及其相关产业正在追求小型化、集成化、高频高速率,电路板上的元器件功率越来越大,同时高密度封装和组装使得元器件的散热空间越来越小,导致热流密度急剧增高。因此作为元器件散热载体的电路板,需要详细分析其散热特性,保证产品的性能和可靠性。 由于电热效应相互影响,电路板上的走线、平面、过孔等产生的焦耳热会影响温度分布,而且如今的电子产品设计中电流越来越大,会进一步增加电热耦合的影响。反过来,温度升高会导致电阻的增大,带来更高的直流压降从而影响元器件供电。因此这两个问题必须同时得到模拟和解决。 板级的传热问题包含了丰富的对流与传导现象,集成电路、封装、电路板、散热器之间的散热主要是热传导问题,而上述因素和环境(气体或液体)之间的散热则是热对流问题。因此,对于板级热分析来讲,不仅要同时分析电气和热物理领域,更要兼顾热传导分析和热对流分析,需要的是一个多物理场的仿真解决方案。 FEA(有限元分析)求解器是用于热传导电热耦合分析的,该方法以传热系数为边界条件,以简化的方式考虑对流和辐射效应,详细模拟固体内部的传导问题,可以在短时间内获得高精度的热传导分析结果。另一种CFD(计算流体动力学)求解器用于热对流和热辐射模拟,通过流体流动的实际模拟(如风扇吹过PCB上的空气)进行对流和辐射的详细建模,但该方法在处理传导问题时,要求尽量简化设计,所以达不到FEA的求解精度和效率。因此我们可以同时使用上述两种仿真方法进行热分析工作,达到优势互补的目的。
FEA求解器主要解决的区域
CFD求解器主要解决的区域
本文章以Cadence的Celsius Thermal Solver作为仿真工具,利用它的FEA-CFD电热仿真流程实施分析工作,流程图如下所示:
导入PCB文件,进行电与热相关的参数设置,运行FEA仿真,得到包含PCB各区域功率耗散的简化仿真模型,再导入到CFD求解器中,添加风扇、机箱等结构实施CFD仿真,结果保存为一个CFD模型,代表设置环境(自然环境、风冷或水冷等)下的真实传热系数,再回到FEA求解器中导入CFD模型作为边界条件,重新执行电热仿真,最后得到精确的电热仿真结果。
下面以一个PCB热仿真实例,详细说明仿真步骤。 ① FEA求解器提取简化模型 - 启动Cadence Celsius Thermal Solver,选择并打开Solid Objects Simulation for Layered Structures模块,该模块就是基于FEA求解仿真层状结构(PCB板)。
- 选择菜单栏中Tools > Options > Edit Options,在Translator一栏中使能下图中的两项,保证板框按照design outline、器件尺寸按照place bound定义。
- 在软件界面左侧向导中选择Load Layout File,导入.brd格式的PCB文件,将PCB文件转换为.spd格式的仿真文件。
- 在向导中使能Enable E/T Co-Simulation Mode选项,选择电热耦合仿真模式。
- 点击Check Stackup,打开层叠管理界面,检查并设置层叠厚度和材料属性,其中每一层的fill-in填充材料务必设置。此外,点击Pad Stack打开焊盘编辑界面,设置所有的焊盘过孔材料为copper。
- 设置电气参数,包括VRM和Sink的定义,通过使能的网络(电源VCC和地网络GND)和器件自动生成VRM和Sink,其中VRM电压为5V,板中所有用电负载电流为2A(参数均为举例)。
- 设置环境温度和边界条件,环境温度为25℃,环境风速为0,PCB板水平放置。这里没有设置自然环境的换热系数,因为该步骤主要是为了提取用于CFD放置的功率耗散简化模型,后面用CFD计算出真实的换热系数后,会再回到FEA环境中重新计算。
- 勾选作为发热件的所有器件,设置每个器件的尺寸参数,包括长宽、厚度,点击Calc Outline and Position,软件会自动根据place bound得到器件的尺寸。
- 设置每个发热器件的属性,可以是热阻模型参数、也可以是定义元器件的等效材料,这里设置器件的材料为MoldingCompound。
- 点击向导中的Set up Thermal Simulation,打开Thermal Simulation Options,选择Generate Simplified CFD Model,勾选Generate CFD Model选项代表仿真结束后会输出一个供CFD仿真的模型,设置NX和NY两个值,表示将PCB划分为多少个计算功率耗散的区域,区域越多,模型越精细,这里设置为10X10。
- 设置计算资源,可选分布式计算或单机计算,设置计算机核心数量和内存,检查是否存在错误,保存仿真文件,然后点击Start Simulation进行仿真。仿真结果的3D热分布图如下所示,可见器件U99的最高温度已经达到170℃,这个温度是不可接受的,因此下面我们在CFD求解器中使用风扇降低这个温度。
- 刚才的仿真结束后,会在工程目录下生成一个.xml格式的简化模型,用于后面的CFD仿真。
② CFD求解器提取CFD模型 - Fluid Flow Simulation模块,该模块就是基于CFD求解仿真流体。
- Modeller> Import Simplifed Model,导入前面生成的.xml格式的简化模型,导入的模型包含PCB和元器件的简化块结构、材料属性、功耗、终端定义等。
- Tools> Edit Library > Material,从库中选择aluminum铝材料并点击Export to Design输出到工程模型里。
- From Design栏中的所有102种材料,右键并选择Bulk Edit,设置Emissivity参数为0.9。该步骤在本案例强迫对流(风扇)应用中并不重要,但如果是仿真自然对流的情况则十分重要。
- CFD Component下的上下前后左右所有Chassis部件,勾选Installed,说明加入机箱结构,并设置材料、厚度、尺寸和位置参数如下。
- Chassis下面,点击Chassis_Back右键,选择Add Axial Fan,在机箱Back一侧添加2个风扇,风扇参数设置如下。
- Chassis_Front右键,选择Add Opening,在机箱Front一侧添加4个通风孔,通风孔参数设置如下。
- 在CFD Component下面选择Test_Chamber,设置边界盒子,尺寸如下。
- Simulation> Options > Simulation Options,设置静态分析中最大迭代数为200,环境温度设置为25℃。
- Solver Options,设置CPU最大使用率为67%,Turbulence Model选择Standard K-e model(自然对流使用层流,强制对流使用标准K-e模型),设置Convergence Control为Residual Only。
- 保存工程,点击红色三角形符合开始仿真,仿真结束可以右键Result Summary查看结果。在工程目录下***_EX_CFD文件夹中会自动生成一个包含强制对流的CFD模型。
③ 导入CFD模型到FEA求解器中实施最终电热仿真 - FEA求解器的PCB板仿真中,打开之前仿真过设置好的demo.spd文件,在workflow中点击Set up Thermal Simulation,选择Generate Simplified CFD Model界面,取消Generate CFD Model的勾选。
- 选择Setup Heat Transfer Coefficients界面,使能Use Defined CFD File选项,点击Browse,指向刚才CFD仿真生成的.cfd文件,点击Auto-match by Terminal Name,这样通过CFD仿真得到的、真实准确的换热系数就应用到PCB和元器件表面作为边界条件了。
- 重新仿真,得到的结果如下,因为在机箱中使用风扇冷却的强制对流,U99的最高温度降到了59.8℃。
我们通过FEA-CFD电热仿真方法,FEA和CFD求解器分工合作,分别应用于最适合的场景,实现了PCB在强迫对流下的电热耦合仿真,精确、高效地模拟热对流、热传导和电热耦合效应。 如需了解更多咨询,请扫描关注封装与高速技术前沿公众号:
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