基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板級(jí)熱仿真技術(shù)研究（二）

4 過(guò)孔影響研究

根 據(jù)之前的板級(jí)熱設(shè)計(jì)研究的經(jīng)驗(yàn)，板卡芯片的散熱主要分為2 類： 使用散熱片或以主動(dòng)散熱為主的芯片，不使用散熱片或以被動(dòng)散熱為主的芯片.對(duì)于后一類， 散熱的主要途徑主要是熱傳導(dǎo)，大部分熱量通過(guò)芯片往下傳導(dǎo)到PCB 板上，然后從PCB 板向水平方向擴(kuò)散到較大的面積，并通過(guò)PCB 板的上下表面與空 氣進(jìn)行對(duì)流換熱.在此過(guò)程中，熱量首先從芯片通過(guò)熱過(guò)孔向下傳導(dǎo)到PCB 內(nèi)部，然后才是PCB 內(nèi)部的導(dǎo)熱.所以要保證板級(jí)熱仿真的精度，不僅需要對(duì) PCB板內(nèi)部各疊層的銅分布進(jìn)行詳細(xì)建模，還需要對(duì)熱過(guò)孔的建模進(jìn)行研究.

4. 1 熱過(guò)孔建模影響分析

對(duì)某產(chǎn)品板 卡進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅僅留下功耗1 W 以上的主要芯片，分別對(duì)板卡進(jìn)行簡(jiǎn)單建模和復(fù)雜建模，對(duì)比各個(gè)芯片溫度差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設(shè)定均一致，邊界條件為 開(kāi)放環(huán)境，水平風(fēng)速為2 m/s.詳細(xì)模型PCB 使用軟件設(shè)定參數(shù)RLS = 30,NCB = 9 進(jìn)行自動(dòng)劃分，且對(duì)各個(gè)區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行特性參數(shù)的賦 值.熱過(guò)孔詳細(xì)建模如圖8 所示，各個(gè)芯片的功耗見(jiàn)表3.

選 取D33.D7.MOS1.L1 和MOS2 共5 個(gè)芯片，在各個(gè)芯片下面建立一定數(shù)量的熱過(guò)孔，熱過(guò)孔截面大小假定為 0. 5 mm × 0. 5 mm.分別對(duì)5 芯片全帶熱過(guò)孔( All) .刪除D7 熱過(guò)孔( NoD7) .刪除D33 熱過(guò)孔 ( NoD33) 和刪除MOS 熱過(guò)孔( NoMOS) 4 種情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.對(duì)比有無(wú)熱過(guò)孔對(duì)芯片本身及其鄰近芯片散熱的影響，如圖 9 所示.

從 上面的結(jié)果來(lái)看，對(duì)于使用散熱片的D7,建立熱過(guò)孔與否對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大.但對(duì)于不使用散熱片的D33 以及MOS 等芯片，建立熱過(guò)孔與否對(duì)計(jì)算結(jié)果 影響明顯.其原因與前面提到的相同，即不使用散熱片進(jìn)行被動(dòng)散熱的芯片，其大部分熱量需要導(dǎo)入PCB 進(jìn)行散熱，因?yàn)樵黾訜徇^(guò)孔與否對(duì)熱量傳導(dǎo)到 PCB 上的影響明顯，因而也明顯影響到了芯片的溫度計(jì)算結(jié)果.表5 列出了2 個(gè)芯片通過(guò)底部傳到PCB內(nèi)的熱量占總熱量的百分比和受熱過(guò)孔的影響程 度，該表進(jìn)一步驗(yàn)證了上面的分析

4. 2 熱過(guò)孔建模簡(jiǎn)化

實(shí)際的熱過(guò)孔幾何尺寸相對(duì)較小，受網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，在板卡級(jí)別以及系統(tǒng)級(jí)別的散熱仿真中不可能對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的建模，因此，有必要在保證一定精度的前提下，尋找簡(jiǎn)化的建模方法.

基 本的簡(jiǎn)化思路是計(jì)算每個(gè)熱過(guò)孔的截面積以及過(guò)孔數(shù)量，按照截面積相等的原則，簡(jiǎn)化為1 個(gè)或幾個(gè)大的熱過(guò)孔.這樣能保證替代物與詳細(xì)模型有相等的截面積和 體積.但是需要考慮的是，熱過(guò)孔是通過(guò)其側(cè)面與PCB 中各層的接觸進(jìn)行導(dǎo)熱的，在截面積和體積相同時(shí)，孔數(shù)量越多側(cè)面積越大，所以過(guò)于粗略的簡(jiǎn)化，會(huì)使 側(cè)面積過(guò)小.按照截面積相等的原則，分別把熱過(guò)孔簡(jiǎn)化為1 個(gè).2 個(gè).4 個(gè)大過(guò)孔，如圖10 所示.

簡(jiǎn)化后的芯片溫度對(duì)比見(jiàn)表6.

從表6 可以看出，使用4 個(gè)大過(guò)孔替代后的簡(jiǎn)化模型與詳細(xì)模型的計(jì)算差別在1. 2 ℃左右，相當(dāng)于芯片溫升的3%左右，屬于可以接受的誤差范圍.

5 結(jié) 束語(yǔ)1) 基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板級(jí)建模對(duì)于準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)板級(jí)以及芯片級(jí)散熱是必要和有效的;2) 考慮疊層銅分布的PCB 詳細(xì)建模需要對(duì)計(jì)算精度和效率 進(jìn)行平衡;3) 熱過(guò)孔對(duì)于板級(jí)熱仿真結(jié)果的精度影響明顯，直接影響到每個(gè)芯片尤其是不使用散熱片的芯片的散熱;4) 熱過(guò)孔可以通過(guò)截面積相等的原則進(jìn) 行簡(jiǎn)化，但不宜過(guò)粗.

基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享的板卡建模技術(shù)研究分析表明，兼顧仿真精度與計(jì)算效率的板級(jí)熱仿真技術(shù)可以較精確地預(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.