如何對(duì)PCB進(jìn)行精準(zhǔn)的電熱協(xié)同仿真

前言

隨著電子設(shè)備功能的日益增強(qiáng)和尺寸的不斷縮小，熱管理問題變得越來越突出，電熱仿真在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中扮演著至關(guān)重要的角色。電磁和熱耦合是指電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的相互作用，這種耦合作用在許多工程應(yīng)用中都非常關(guān)鍵。電流作用于導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，而這些產(chǎn)生的熱量又會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。高效的電熱仿真流程可以幫助工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期識(shí)別和解決潛在的熱問題，從而提高產(chǎn)品的可靠性、性能和壽命。本文主要使用芯和半導(dǎo)體Notus平臺(tái)演繹了“如何對(duì)PCB進(jìn)行精準(zhǔn)的電熱協(xié)同仿真”，從而在設(shè)計(jì)前期快速定位溫度過熱區(qū)域，進(jìn)行熱裕量分析，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

Notus平臺(tái)簡(jiǎn)介

芯和半導(dǎo)體Notus是用于芯片、封裝和系統(tǒng)的信號(hào)完整性、電源完整性仿真和熱分析的仿真軟件平臺(tái)。信號(hào)完整性仿真功能包括芯片封裝和系統(tǒng)板級(jí)的低速信號(hào)拓?fù)涮崛『?a target="_blank">DDR信號(hào)的S參數(shù)仿真，可以分析信號(hào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布局布線風(fēng)險(xiǎn)，分析DDR信號(hào)阻抗、插損、回?fù)p、串?dāng)_等風(fēng)險(xiǎn)。電源完整性仿真功能包含芯片封裝和系統(tǒng)板級(jí)的電源DC壓降仿真、PDN阻抗仿真、電熱仿真，可以分析封裝和PCB系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，保證電源質(zhì)量。

Notus 電熱協(xié)同

建模仿真流程介紹

1.PCB仿真模型導(dǎo)入

首先，打開Notus，點(diǎn)擊菜單欄中的Layout，選中要導(dǎo)入的版圖文件，如圖1所示。

圖 1

導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件

接著，在彈出的導(dǎo)入窗口中選擇需要導(dǎo)入的網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊OK后，主界面就會(huì)出現(xiàn)PCB的版圖，如圖2所示。

圖2

選擇導(dǎo)入的網(wǎng)絡(luò)

2.創(chuàng)建電熱仿真Flow

在Project工程樹下的Analysissetup右鍵->點(diǎn)擊New Analysis Flow，創(chuàng)建E/T Co-Simulation仿真流程，點(diǎn)擊OK后，界面會(huì)出現(xiàn)ET的仿真向?qū)?，如圖3所示。

圖 3

創(chuàng)建E/T 聯(lián)合仿真流程

3.Electrical仿真參數(shù)設(shè)置

此應(yīng)用案例下需要設(shè)置的電參數(shù)主要包含環(huán)境溫度、電源網(wǎng)絡(luò)選擇、VRM、Sink。下面我們按照工程樹中的向?qū)б来芜M(jìn)行設(shè)置。

（1）設(shè)置環(huán)境溫度，點(diǎn)擊Ambient Temperature，在彈出的對(duì)話框中輸入環(huán)境溫度。

（2）選擇仿真網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊“ET->Electrical”下的“Net”，彈出選擇設(shè)置仿真網(wǎng)絡(luò)的彈框。選擇參與仿真的電源和地網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊“OK”完成仿真網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，如圖4所示。

圖 4

選擇仿真網(wǎng)絡(luò)

（3）設(shè)置VRM電源端，點(diǎn)擊“ET->Electrical”下的“VRM”，彈出VRM的彈框。選擇不同電源類型，點(diǎn)擊“Add”，彈出設(shè)置pin腳的彈框，選擇pin腳點(diǎn)擊“Add Pins”添加pin腳，如圖5所示。

圖 5

設(shè)置VRM

（4）設(shè)置Sink負(fù)載端，點(diǎn)擊“ET->Electrical”下的“SINK”，彈出SINK的彈框。右鍵后選擇不同添加Sink的方式，這里我們選擇Add Sink by selected nets，設(shè)置負(fù)載端的電壓和電流后，點(diǎn)擊OK，如圖6所示。

圖 6

設(shè)置Sink

4.Thermal仿真參數(shù)設(shè)置

本章節(jié)需要對(duì)熱器件材料和熱源，散熱方式進(jìn)行設(shè)置。 （1）設(shè)置熱器件，雙擊Thermal workflow->Simulation Setup->Thermal Components，勾選相應(yīng)的器件參與熱仿真，并進(jìn)行器件外形、材料，以及熱源和散熱器類型的設(shè)置，如圖7所示。

圖 7

設(shè)置Thermal Components

（2）Simulation Conditions設(shè)置。 點(diǎn)擊“ET->Thermal”下的“Simulation Conditions”，彈出Simulation Conditions的彈框。選擇強(qiáng)制散熱或者自然對(duì)流方式，并設(shè)置相關(guān)散熱參數(shù)和恒溫邊界，如圖8所示。

圖8

設(shè)置Simulation Conditions

5.查看仿真結(jié)果及報(bào)告導(dǎo)出

右鍵工程樹下的“ET”,點(diǎn)擊“Result->Result Table”,彈出“ET Result”彈框，分為2個(gè)頁簽，分別顯示“DC Result”和“Thermal Result”，可分別查看對(duì)應(yīng)的電的結(jié)果和熱的結(jié)果的相關(guān)的結(jié)果。 （1）右鍵工程樹下的“ET”,點(diǎn)擊“Display DC”，頁面顯示電壓結(jié)果云圖，可切換不同選項(xiàng)查看電流密度、電流、電壓密度、功率損耗等相關(guān)電的結(jié)果云圖，如圖9所示。

圖9

查看DC電壓云圖

（2）點(diǎn)擊“Display Thermal 2D”，頁面顯示2D溫度云圖，可切換不同層查看溫度云圖在版圖中的顯示，如圖10所示。

圖10

查看2D溫度云圖

（3）點(diǎn)擊“Display Thermal 3D”，頁面顯示3D溫度云圖，通過Change View可選擇從不同的視角查看3D云圖顯示。勾選不同的層，顯示不同層或者器件的溫度云圖的渲染:選擇Show Temperature on Slice可從不同方向進(jìn)行不同位置剖面圖的查看。勾選Show Hot Spots查看版圖中最高溫的位置和溫度值，勾選Pick Point Value時(shí)，鼠標(biāo)放置版圖的位置可查看該點(diǎn)的位置信息和溫度數(shù)值，如圖11所示。

圖11

查看3D溫度云圖

（4）右鍵工程樹下的“ET”,點(diǎn)擊“Result->Generate report”，彈出“ET Report Setting” 設(shè)置界面，選擇需要導(dǎo)出的報(bào)告的相關(guān)內(nèi)容的選項(xiàng)，如圖12所示。

圖12

導(dǎo)出報(bào)告

總結(jié)

本文主要介紹了如何在Notus平臺(tái)中對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行電熱協(xié)同仿真的流程：從創(chuàng)建ET仿真流程開始，按照軟件向?qū)降闹敢M(jìn)行操作，依次完成設(shè)計(jì)文件的導(dǎo)入、仿真net選擇、設(shè)置環(huán)境溫度、VRM、Sink端等關(guān)于電方面的設(shè)置，以及對(duì)于熱器件參數(shù)的設(shè)定和散熱器參數(shù)的設(shè)置，最后借助Notus軟件的仿真引擎，得到本次仿真的電壓云圖和溫度云圖等仿真結(jié)果。 Notus信號(hào)完整性、電源完整分析和熱分析仿真平臺(tái)可以有效的在設(shè)計(jì)前期對(duì)器件功耗和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行預(yù)判，提升設(shè)計(jì)效率。

關(guān)于芯和半導(dǎo)體EDA

芯和半導(dǎo)體提供“半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈仿真EDA解決方案”，是新一代智能電子產(chǎn)品中設(shè)計(jì)高頻/高速電子組件的重要工具，擁有領(lǐng)先的2.5D/3D Chiplet先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)分析全流程的EDA平臺(tái)。產(chǎn)品涵蓋三大領(lǐng)域：：

芯片設(shè)計(jì)：匹配主流晶圓廠工藝節(jié)點(diǎn)，支持定制化PDK構(gòu)建需求，內(nèi)嵌豐富的片上器件模型，幫助用戶快速精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)建模與寄生參數(shù)提取。

封裝設(shè)計(jì)：集成多類封裝庫，提供通孔、走線和疊層的全棧電磁場(chǎng)仿真工具，為2.5D/3DIC先進(jìn)封裝打造領(lǐng)先的統(tǒng)一仿真平臺(tái)，提高產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化效率。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于完全自主產(chǎn)權(quán)的EDA仿真平臺(tái)，打通整機(jī)系統(tǒng)建模-設(shè)計(jì)-仿真-驗(yàn)證-測(cè)試的全流程，助力用戶一站式解決高速高頻系統(tǒng)中的信號(hào)完整性、電源完整性、熱和應(yīng)力等設(shè)計(jì)問題。

關(guān)于芯和半導(dǎo)體

芯和半導(dǎo)體是一家從事電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件工具研發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，以仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，提供覆蓋IC、封裝到系統(tǒng)的具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全產(chǎn)業(yè)鏈 EDA 解決方案，支持先進(jìn)工藝與先進(jìn)封裝，致力于賦能和加速新一代高速高頻智能電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，已在5G、智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

芯和半導(dǎo)體創(chuàng)建于2010年，運(yùn)營(yíng)及研發(fā)總部位于上海張江，在蘇州、武漢、西安設(shè)有研發(fā)分中心，在美國(guó)硅谷、北京、深圳、成都、西安設(shè)有銷售和技術(shù)支持部門。