基于SIwave和Icepak實(shí)現(xiàn)電路板電熱仿真

張玉鈴 侯碩琳

[摘 ? ?要]目前，電子設(shè)備大功率、小體積的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，電熱仿真成為設(shè)計(jì)大功率電路板的必要環(huán)節(jié)。介紹了一種基于SIwave和Icepak軟件實(shí)現(xiàn)電路板PCB電熱仿真的方法，并進(jìn)行電熱試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真方法的可行性、準(zhǔn)確性。

[關(guān)鍵詞]電源完整性;電熱仿真;SIwave;Icepak

[中圖分類號(hào)]TN41 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]At present， the requirements of high power and small volume of electronic equipment are becoming more and more stringent. Electrothermal simulation has become a necessary link for engineers to design high-power circuit boards. This paper introduces a method of PCB electrothermal simulation based on siwave and Icepak software， and carries out electrothermal test to verify the feasibility and accuracy of the simulation method.

[Keywords]power integrity; electrothermal simulation; SIwave; Icepak

隨著電子設(shè)備快速發(fā)展，電子設(shè)備的大功率、高密度特點(diǎn)日益明顯，因此電子設(shè)備中的大功率電路板的電熱問(wèn)題成為了影響產(chǎn)品可靠性、開(kāi)發(fā)周期和成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。若能夠在方案階段對(duì)大功率電路板進(jìn)行電熱仿真，根據(jù)電熱仿真結(jié)果提前規(guī)避產(chǎn)品電熱溫升的薄弱點(diǎn)，則可以減少反復(fù)投板試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)周期和成本，同時(shí)也提高了電子設(shè)備的可靠性。

對(duì)于大功率電路板設(shè)計(jì)，需要工程師根據(jù)電熱仿真結(jié)果，對(duì)發(fā)熱嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化和增加散熱措施，保證在電熱仿真結(jié)果滿足產(chǎn)品技術(shù)要求后，再進(jìn)行投產(chǎn)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成功率。因此對(duì)電路板電熱仿真獲得熱耗和溫度分布，進(jìn)而指導(dǎo)電路板設(shè)計(jì)，成為了大功率電子設(shè)備設(shè)計(jì)流程不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文介紹了一種基于SIwave和Icepak軟件實(shí)現(xiàn)大功率電路板電熱仿真的方法，并通過(guò)產(chǎn)品驗(yàn)證此仿真方法的可行性、準(zhǔn)確性。

1 背板PCB電熱仿真

ANSYS的SIwave軟件可以進(jìn)行電源完整性仿真，仿真內(nèi)容包括電壓分布、電壓跌落、電流密度分布、功率損耗、PDN阻抗。仿真后的數(shù)據(jù)可以與Icepak軟件共享，并在Icepak軟件中繼續(xù)進(jìn)行熱仿真，得到PCB板的溫度分布。

電路板的電熱仿真流程見(jiàn)圖1，SIwave軟件可以直接將設(shè)計(jì)完成的PCB文件導(dǎo)入，然后編輯印制板的疊層材料、厚度等，保證按照實(shí)際加工參數(shù)進(jìn)行仿真。印制板編輯完成后，在SIwave中進(jìn)行直流壓降分析（DC IR drop），將仿真計(jì)算的熱耗結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入Icepak中，最后在Icepak軟件中計(jì)算得到電路板的溫升結(jié)果。查看仿真的溫升是否滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，若不滿足，更改電路板設(shè)計(jì)，再次仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)若干次迭代獲得合格的計(jì)算結(jié)果。

1.1 SIwave仿真計(jì)算

以一塊16層的背板PCB設(shè)計(jì)圖為例進(jìn)行仿真。背板是在多板卡組成的設(shè)備中作為母板的特殊PCB，其上排布若干用于插裝子板的插槽連接器，背板在功能上實(shí)現(xiàn)為各子板提供互連線通道及電源供應(yīng)，因此背板的電源性能設(shè)計(jì)顯得尤為嚴(yán)格和重要。

此案例PCB采用16層板，板的尺寸為226 mm× 100 mm，厚度3 mm，PCB材料選擇絕緣材料FR4和銅，對(duì)其中的5 V電源銅箔做電熱仿真。圖2為SIWAVE軟件導(dǎo)入PCB后，對(duì)PCB進(jìn)行直流壓降仿真分析的結(jié)果，電流由注入端向負(fù)載端規(guī)律分布，沿主路徑軌跡密度較大，邊緣逐漸稀疏。

1.2 Icepak仿真計(jì)算

將電路板仿真計(jì)算后的熱耗結(jié)果保存，然后導(dǎo)入Icepak軟件中作為熱源進(jìn)行流場(chǎng)分析，冷卻方式設(shè)置為自然冷卻，建立450 mm×500 mm×300 mm的計(jì)算域，環(huán)境溫度設(shè)置為29 ℃，電流20 A時(shí)的電熱仿真結(jié)果如圖3所示，電流15 A時(shí)的電熱仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖可見(jiàn)，截面內(nèi)最高溫度均出現(xiàn)在電源注入接口，電流20 A時(shí)電路板上最高溫度達(dá)到了71.78 ℃，電流15 A時(shí)電路板上最高溫度達(dá)到了54.21 ℃。同時(shí)平面內(nèi)溫度的分布也與電流的密度分布相吻合，即電流密度越大的區(qū)域溫度越高，并且趨向周邊呈梯度變化。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述仿真的電路板通電15 A和20 A，通過(guò)溫度測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真方法的可行性和準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)驗(yàn)證使用儀器為直流電源、熱成像儀。電路板接直流電源通電1 h，PCB內(nèi)形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)后，用熱成像儀拍攝測(cè)試PCB的溫度。

用熱成像儀標(biāo)記出3個(gè)點(diǎn)位的溫度，仿真云圖也取樣與之相近的點(diǎn)的溫度，從而對(duì)比。選取如圖5所示的點(diǎn)的溫度。

電路板輸入5 V/20 A時(shí)，由熱成像儀拍攝的電路板溫度云圖如圖6所示。圖6中點(diǎn)1對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)1，點(diǎn)2對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)2，點(diǎn)3對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)3。

電路板輸入5 V/15 A時(shí)，由熱成像儀拍攝的電路板溫度云圖如圖7所示。圖7中點(diǎn)1對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)1，點(diǎn)2對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)3，點(diǎn)3對(duì)應(yīng)圖5中的標(biāo)記點(diǎn)2。

將電路板測(cè)試溫度和仿真溫度總結(jié)見(jiàn)表1和表2。通過(guò)對(duì)比可知，在20 A情況下，點(diǎn)1溫差4.2 ℃，點(diǎn)2溫差0.4 ℃，點(diǎn)3溫差為0 ℃;在15 A情況下，點(diǎn)1溫差3.8 ℃，點(diǎn)2溫差2.8 ℃，點(diǎn)3溫差為0.1 ℃。點(diǎn)2、點(diǎn)3仿真與測(cè)試吻合較好，點(diǎn)1約有4 ℃溫差。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)值存在誤差，可能存在的原因如下：通過(guò)SIWAVE軟件仿真得到各個(gè)疊層的熱功率密度，在Icepak導(dǎo)入過(guò)程中只保留了高于默認(rèn)參數(shù)的熱耗，低于默認(rèn)值的被忽略，導(dǎo)致整體輸入熱耗降低;此外仿真選取的算法、網(wǎng)格數(shù)也會(huì)影響仿真結(jié)果。

通過(guò)表1和表2中記錄的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在電路板發(fā)熱最嚴(yán)重的區(qū)域，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差0.1 ℃。因此使用SIwave和Icepak軟件聯(lián)合仿真的結(jié)果具備準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用仿真軟件SIwave軟件和Icepak軟件對(duì)某信號(hào)傳輸電路板建立了PCB的仿真模型，并采用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行了熱仿真，獲得了電流密度、溫度分布情況，對(duì)熱量集中點(diǎn)的溫度仿真值誤差為達(dá)到0.1 ℃，準(zhǔn)確度高。仿真為合理地預(yù)估電源載流設(shè)計(jì)是否充分，正常工作過(guò)程中的發(fā)熱量及實(shí)際溫升是否滿足正常使用要求提供了極大的參考價(jià)值，從而指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，縮短研制周期。

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