為了滿足日益增加的PCB設(shè)計(jì)要求，不少設(shè)計(jì)工程師感到壓力頗重。每一類新的設(shè)計(jì)都伴隨著性能和可靠性方面的失效風(fēng)險。設(shè)計(jì)過程中大的問題是如何在散熱方案和信號完整性中進(jìn)行取舍。連接元件的高速時鐘速度需要緊密的靠近，以便確保不出現(xiàn)信號衰減。但是這類元件還是無法避免的有很多耗散熱，因此它們之間應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)離，從而有助于降低它們的溫度。

本文描述了如何應(yīng)用熱仿真對PCB板散熱性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一PCB板是通過楔形裝置緊鎖在機(jī)箱內(nèi)，并且對機(jī)箱外部的散熱器翅片進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。在一些惡劣的環(huán)境條件下，根據(jù)局部環(huán)境空氣溫度并且以導(dǎo)熱為主要散熱方式，如何實(shí)現(xiàn)正常的元件結(jié)溫成了一大難題。 

初平面布置方案

圖1顯示了初的平面布置。外部受到強(qiáng)迫風(fēng)冷的機(jī)箱可以使PCB楔形緊鎖裝置處獲得35 ºC的溫度。局部空氣溫度為75 ºC。盡管所有的元件都有熱耗散，但是微處理器和內(nèi)存是整個PCB板上熱耗散的主要組成部分。

圖1 初始平面布置和重要元件及楔形緊鎖裝置

設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制

有很多種方法可以進(jìn)行布局的熱設(shè)計(jì)，但是它們都遵從一個原則，那就是如何迅速、方便的將芯片內(nèi)的熱量傳遞至室外環(huán)境中。在這一例子中，我們使用Flomerics的Flotherm軟件通過仿真計(jì)算對兩種有助于排除熱量的改進(jìn)方法進(jìn)行數(shù)值模擬。

首先，以不同相互間距離將內(nèi)存和微處理器遠(yuǎn)離，這里我們保持內(nèi)存位置不變。這樣做有兩方面的好處，一是移動了處理器的位置，減少了它對內(nèi)存的熱影響。另外，處理器的位置更靠近楔形緊鎖裝置可以獲得更低的溫度。

其次，對內(nèi)存和微處理器下部的陣列熱過孔的影響進(jìn)行了計(jì)算。圖2中對熱過孔進(jìn)行了放大顯示。熱過孔有助于熱量進(jìn)入到PCB板的內(nèi)部金屬層，特別是那些幾乎布滿整個PCB板的電源層和地層，在這些層上熱量可以迅速的傳遞到邊緣的楔形緊鎖裝置。如果沒有這些熱過孔的存在，那么在微處理器和楔形緊鎖裝置中存在很大的熱阻，這主要是因?yàn)镻CB板頂部的信號層熱阻很大。

圖2 內(nèi)存和微處理器遠(yuǎn)離以及熱過孔陣列

這一類新設(shè)計(jì)的PCB板采用GHz的信號頻率和百億分之一秒信號上升時間來進(jìn)行工作。由于這類上升時間與波長具有相同的狀態(tài)，所以關(guān)鍵信號的衰減可能大為增加。因此內(nèi)存和微處理器之間的距離又應(yīng)盡可能的短，在這一例子中不應(yīng)超過11mm。

微處理器（封裝形式為TBGA）的大額定結(jié)溫是100 ºC。盡管元件供應(yīng)商提供了一些表征熱性能的數(shù)據(jù) (例如：芯片結(jié)點(diǎn)和環(huán)境之間的熱阻)，但是這些數(shù)據(jù)僅僅適用于一些特定的場合。對于這類既復(fù)雜又存在元件之間相互熱影響的實(shí)際設(shè)計(jì)而言，為可靠的熱設(shè)計(jì)方法只能是對整個PCB板組件進(jìn)行3D的數(shù)值仿真。 

熱仿真

然而，傳統(tǒng)的仿真方法只是集中于單一的研究，僅僅提供一個可行或不可行的結(jié)論。優(yōu)秀的數(shù)值仿真應(yīng)該可以研究設(shè)計(jì)發(fā)生變化之后，會對散熱性能產(chǎn)生何種影響。這就有助于設(shè)計(jì)工程師確定設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這可以通過建立和模擬一個設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（DoE）來完成。使用這一方法首先需要確定設(shè)計(jì)變量。在這一例子中，這些變量是內(nèi)存和微處理器之間的距離和這些元件下方熱過孔的陣列密度。以所有20個仿真方案為基礎(chǔ)，將這兩個變化參數(shù)的不同組合和相應(yīng)微處理器的大結(jié)溫生成一張3D圖。 

圖3顯示了兩個極端的DoE設(shè)計(jì)方案，方案1是元件下沒有熱過孔以及微處理器和內(nèi)存非常接近，方案2是四個元件下均有稠密的熱過孔以及微處理器位置非常接近楔形緊鎖裝置。

圖3 差和優(yōu)的方案設(shè)計(jì)結(jié)果

響應(yīng)面

20個仿真方案結(jié)果使我們對這些方案的散熱性能有了直觀的了解，例如，圖3中所顯示的優(yōu)和差方案的結(jié)溫。然而，可以通過使用20個仿真方案結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行 “響應(yīng)面”擬合，從而獲得更為直觀和完整的3D結(jié)果圖形。這種響應(yīng)面擬合是非常先進(jìn)的曲線擬合。它將兩個設(shè)計(jì)參數(shù)的交叉作用對結(jié)溫（圖4）的影響完美的結(jié)合起來，給人一種直觀、清晰的觀察視角。

圖4 結(jié)溫和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的響應(yīng)面

注意：元件下部的熱過孔作用通過熱導(dǎo)率的形式進(jìn)行量化。0.3 W/mK (FR4熱導(dǎo)率)表明元件下部有稠密的熱過孔陣列。

圖4的響應(yīng)面3D圖充分表明內(nèi)存和微處理器之間的距離越大，則處理器的結(jié)溫越低。此外，在一個比較小的范圍內(nèi)熱過孔密度對結(jié)溫的影響很大。如果不考慮內(nèi)存和微處理器之間的距離，在熱導(dǎo)率大約0～3 W/mK范圍內(nèi)，少量的熱過孔密度增加就可以獲得顯著的散熱效果。之后再進(jìn)一步增加元件下熱過孔的陣列密度只有少量的獲益。

使用圖5可以獲得一個更為量化的圖表。其中顯示的變量線只是圖4的一部分，以熱過孔的陣列密度為變量線。元件之間距離和大結(jié)溫的限制，在圖中以黑色直線區(qū)域所表示。通過觀察允許設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線，很明顯通過大化元件下熱過孔的數(shù)目，可以使整個設(shè)計(jì)具有一定的余量。

圖5 表征設(shè)計(jì)限制的響應(yīng)面區(qū)域

結(jié)論

通過使用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（Design of Experiments）功能，完成了大量的數(shù)值仿真，之后通過仿真結(jié)果創(chuàng)建了響應(yīng)面3D圖，從而對設(shè)計(jì)目的隨設(shè)計(jì)變量響應(yīng)有了一個直觀的了解。這有助于快速地確定設(shè)計(jì)中的折衷方案，并且可以小化后期由于缺乏設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)變量之間響應(yīng)關(guān)系所造成的散熱風(fēng)險。

本文所介紹的這一例子描述了兩個獨(dú)立變量共同作用對散熱性能的影響。事實(shí)上，這一仿真方法可以應(yīng)用到任意數(shù)量的設(shè)計(jì)變量中。舉例，正如兩個微處理器與楔形緊鎖裝置之間的距離是變量一樣，內(nèi)存和楔形緊鎖裝置之間的距離也可以作為設(shè)計(jì)變量。在現(xiàn)實(shí)中，仿真研究的優(yōu)化限制范圍由設(shè)計(jì)工程師以及計(jì)算可用的資源和時間所確定。