基于設(shè)計數(shù)據(jù)共享的板級熱仿真技術(shù)研究（二）

4 過孔影響研究

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

4. 1 熱過孔建模影響分析

對某產(chǎn)品板 卡進行簡化，僅僅留下功耗1 W 以上的主要芯片，分別對板卡進行簡單建模和復(fù)雜建模，對比各個芯片溫度差異.其中邊界條件和網(wǎng)格設(shè)定均一致，邊界條件為 開放環(huán)境，水平風(fēng)速為2 m/s.詳細模型PCB 使用軟件設(shè)定參數(shù)RLS = 30,NCB = 9 進行自動劃分，且對各個區(qū)域自動進行特性參數(shù)的賦 值.熱過孔詳細建模如圖8 所示，各個芯片的功耗見表3.

選 取D33.D7.MOS1.L1 和MOS2 共5 個芯片，在各個芯片下面建立一定數(shù)量的熱過孔，熱過孔截面大小假定為 0. 5 mm × 0. 5 mm.分別對5 芯片全帶熱過孔( All) .刪除D7 熱過孔( NoD7) .刪除D33 熱過孔 ( NoD33) 和刪除MOS 熱過孔( NoMOS) 4 種情況進行計算，計算結(jié)果見表4.對比有無熱過孔對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)果來看，對于使用散熱片的D7,建立熱過孔與否對計算結(jié)果影響不大.但對于不使用散熱片的D33 以及MOS 等芯片，建立熱過孔與否對計算結(jié)果 影響明顯.其原因與前面提到的相同，即不使用散熱片進行被動散熱的芯片，其大部分熱量需要導(dǎo)入PCB 進行散熱，因為增加熱過孔與否對熱量傳導(dǎo)到 PCB 上的影響明顯，因而也明顯影響到了芯片的溫度計算結(jié)果.表5 列出了2 個芯片通過底部傳到PCB內(nèi)的熱量占總熱量的百分比和受熱過孔的影響程 度，該表進一步驗證了上面的分析

4. 2 熱過孔建模簡化

實際的熱過孔幾何尺寸相對較小，受網(wǎng)格數(shù)量和計算機計算能力的限制，在板卡級別以及系統(tǒng)級別的散熱仿真中不可能對其進行詳細的建模，因此，有必要在保證一定精度的前提下，尋找簡化的建模方法.

基 本的簡化思路是計算每個熱過孔的截面積以及過孔數(shù)量，按照截面積相等的原則，簡化為1 個或幾個大的熱過孔.這樣能保證替代物與詳細模型有相等的截面積和 體積.但是需要考慮的是，熱過孔是通過其側(cè)面與PCB 中各層的接觸進行導(dǎo)熱的，在截面積和體積相同時，孔數(shù)量越多側(cè)面積越大，所以過于粗略的簡化，會使 側(cè)面積過小.按照截面積相等的原則，分別把熱過孔簡化為1 個.2 個.4 個大過孔，如圖10 所示.

簡化后的芯片溫度對比見表6.

從表6 可以看出，使用4 個大過孔替代后的簡化模型與詳細模型的計算差別在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1) 基于設(shè)計數(shù)據(jù)共享的板級建模對于準(zhǔn)確分析預(yù)測板級以及芯片級散熱是必要和有效的;2) 考慮疊層銅分布的PCB 詳細建模需要對計算精度和效率 進行平衡;3) 熱過孔對于板級熱仿真結(jié)果的精度影響明顯，直接影響到每個芯片尤其是不使用散熱片的芯片的散熱;4) 熱過孔可以通過截面積相等的原則進 行簡化，但不宜過粗.

基于設(shè)計數(shù)據(jù)共享的板卡建模技術(shù)研究分析表明，兼顧仿真精度與計算效率的板級熱仿真技術(shù)可以較精確地預(yù)測芯片的結(jié)溫和殼溫，為系統(tǒng)級熱仿真提供更為準(zhǔn)確的局部環(huán)境.