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CAE/模拟仿真 |
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FloTHERM成功用于PCB设计优化 |
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介绍
为了满足日益增加的PCB设计要求，不少设计工程师感到压力颇重。每一类新的设计都伴随着性能和可靠性方面的失效风险。设计过程中最大的问题是如何在散热方案和信号完整性中进行取舍。连接元件的高速时钟速度需要紧密的靠近，以便确保不出现信号衰减。但是这类元件还是无法避免的有很多耗散热，因此它们之间应尽可能的远离，从而有助于降低它们的温度。
本文描述了如何应用热仿真对PCB板散热性能进行优化设计。这一PCB板是通过楔形装置紧锁在机箱内，并且对机箱外部的散热器翅片进行强迫风冷。在一些恶劣的环境条件下，根据局部环境空气温度并且以导热为主要散热方式，如何实现正常的元件结温成了一大难题。
最初平面布置方案
图1显示了最初的平面布置。外部受到强迫风冷的机箱可以使PCB楔形紧锁装置处获得35 oC的温度。局部空气温度为75 oC。尽管所有的元件都有热耗散，但是微处理器和内存是整个PCB板上热耗散的主要组成部分。
图1 初始平面布置和重要元件及楔形紧锁装置
设计目标和限制
有很多种方法可以进行布局的热设计，但是它们都遵从一个原则，那就是如何迅速、方便的将芯片内的热量传递至室外环境中。在这一例子中，我们使用Flomerics的Flotherm软件通过仿真计算对两种有助于排除热量的改进方法进行数值模拟。
首先，以不同相互间距离将内存和微处理器远离，这里我们保持内存位置不变。这样做有两方面的好处，一是移动了处理器的位置，减少了它对内存的热影响。另外，处理器的位置更靠近楔形紧锁装置可以获得更低的温度。
其次，对内存和微处理器下部的阵列热过孔的影响进行了计算。图2中对热过孔进行了放大显示。热过孔有助于热量进入到PCB板的内部金属层，特别是那些几乎布满整个PCB板的电源层和地层，在这些层上热量可以迅速的传递到边缘的楔形紧锁装置。如果没有这些热过孔的存在，那么在微处理器和楔形紧锁装置中存在很大的热阻，这主要是因为PCB板顶部的信号层热阻很大。
图2 内存和微处理器远离以及热过孔阵列
这一类最新设计的PCB板采用GHz的信号频率和百亿分之一秒信号上升时间来进行工作。由于这类上升时间与波长具有相同的状态，所以关键信号的衰减可能大为增加。因此内存和微处理器之间的距离又应尽可能的短，在这一例子中不应超过11mm。
微处理器（封装形式为TBGA）的最大额定结温是100 oC。尽管元件供应商提供了一些表征热性能的数据 (例如：芯片结点和环境之间的热阻)，但是这些数据仅仅适用于一些特定的场合。对于这类既复杂又存在元件之间相互热影响的实际设计而言，最为可靠的热设计方法只能是对整个PCB板组件进行3D的数值仿真。
热仿真
然而，传统的仿真方法只是集中于单一的研究，仅仅提供一个可行或不可行的结论。优秀的数值仿真应该可以研究设计发生变化之后，会对散热性能产生何种影响。这就有助于设计工程师确定设计优化的参数，从而实现整个设计目标。
这可以通过建立和模拟一个设计实验（DoE）来完成。使用这一方法首先需要确定设计变量。在这一例子中，这些变量是内存和微处理器之间的距离和这些元件下方热过孔的阵列密度。以所有20个仿真方案为基础，将这两个变化参数的不同组合和相应微处理器的最大结温生成一张3D图。
图3显示了两个极端的DoE设计方案，方案1是元件下没有热过孔以及微处理器和内存非常接近，方案2是四个元件下均有稠密的热过孔以及微处理器位置非常接近楔形紧锁装置。
图3 最差和最优的方案设计结果
响应面
20个仿真方案结果使我们对这些方案的散热性能有了直观的了解，例如，图3中所显示的最优和最差方案的结温。然而，可以通过使用20个仿真方案结果数据进行 “响应面”拟合，从而获得更为直观和完整的3D结果图形。这种响应面拟合是非常先进的曲线拟合。它将两个设计参数的交叉作用对结温（图4）的影响完美的结合起来，给人一种直观、清晰的观察视角。
注意：元件下部的热过孔作用通过热导率的形式进行量化。0.3 W/mK (FR4热导率)表明元件下部有稠密的热过孔阵列。
图4 结温和设计参数之间的响应面
图4的响应面3D图充分表明内存和微处理器之间的距离越大，则处理器的结温越低。此外，在一个比较小的范围内热过孔密度对结温的影响很大。如果不考虑内存和微处理器之间的距离，在热导率大约0～3 W/mK范围内，少量的热过孔密度增加就可以获得显著的散热效果。之后再进一步增加元件下热过孔的阵列密度只有少量的获益。
使用图5可以获得一个更为量化的图表。其中显示的变量线只是图4的一部分，以热过孔的阵列密度为变量线。元件之间距离和最大结温的限制，在图中以黑色直线区域所表示。通过观察允许设计范围内的响应曲线，很明显通过最大化元件下热过孔的数目，可以使整个设计具有一定的余量。
图5 表征设计限制的响应面区域
结论
通过使用设计实验（Design of Experiments）功能，完成了大量的数值仿真，之后通过仿真结果创建了响应面3D图，从而对设计目的随设计变量响应有了一个直观的了解。这有助于快速地确定设计中的折衷方案，并且可以最小化后期由于缺乏设计目的与设计变量之间响应关系所造成的散热风险。
本文所介绍的这一例子描述了两个独立变量共同作用对散热性能的影响。事实上，这一仿真方法可以应用到任意数量的设计变量中。举例，正如两个微处理器与楔形紧锁装置之间的距离是变量一样，内存和楔形紧锁装置之间的距离也可以作为设计变量。在现实中，仿真研究的优化限制范围由设计工程师以及计算可用的资源和时间所确定。(end)
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(9/13/2013) |
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