芯诣电子系统级热仿真能力
作者：唐平
为了满足智能化、微型化的需求，芯片被最大程度地封装集成，多个芯片(Chip)组合于一个Package中，形成SIP(System In a Package)系统级封装；或进行Stacked堆叠封装，形成堆栈裸片封装。当电流流经导体时，必然会生成焦耳热，热量的不平均势必引起导体的热变形等不良现象。热仿真可以视为是一种虚拟实验，它可以在不做出实际产品的前提下，通过输入一系列的数据，来计算在不同运行场景下产品的散热风险。
正是在这样的国际社会大背景下，本公司本着追求卓越，创新至上，为客户打造更加可视化的可靠性的产品设备，运用热仿这一“虚拟实验室”，呈现产品的整体运行状态，为设计指引方向，缩短研发周期，降低研发成本。
如以本公司系统级产品为例，为大家呈现如何通过热仿真的方式，将系统级的老化机台设备从一个芯片到板级设计，再到系统级设备设计出来的全过程。
本公司系统级产品涵盖多层板级散热与多系统级散热，文章共分为四篇，分别介绍驱动板单层板级散热仿真、驱动板多层板系统级散热仿真、socket IC芯片单层板级散热仿真、socket IC芯片多层板系统级散热仿真。
图1 为驱动板单层板级散热仿真模型与云图。
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图2 为驱动板多层板系统级散热仿真，通过热仿能够清楚看到腔体内部风量风速，流向，以及风速，能够以此确认设计后生产出的设备运行时内部运行状态。
图2
图3 为socket IC芯片单层板级散热仿真，观察PCB板各socket运行时的状态。
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图4 为socket IC芯片多层板系统级散热仿真，通过热仿能够清楚腔体温度是否均衡，评估腔体内部每层板级PCB左右进出风口位置与孔径设置的合理性等。
图4
本次主要介绍驱动板散热仿真流程和验证结论。
第一部分：驱动板
层板级PCB板作为整个设备的核心要点，设备的精准度和稳定性全靠该层板级PCB板，所以，PCB板的整体散热的合理布局和板子的散热选型至关重要。
根据搜集的芯片功耗信息，设计如图5所示芯片的散热片和选定加工方式与材质。
图5 单层板级PCB板芯片散热片
图6 单层板级PCB板芯片散热片瞬态仿真时效性
驱动板上各个芯片都是根据IC芯片自身的结温，壳温以及板温信息通过软件的2-Resistor Model模型进行建立，并将芯片实测的功耗填入模型。
根据风洞测试数据选定的风扇型号，如图7所示选定风扇的PQ曲线。
图7 单层板级PCB板风扇选型PQ图
根据搜集的PCB板数据与风洞测试数据，对PCB板的芯片与电子器件进行位置排布，以达到PCB板最佳散热性能，如图8所示。
图8 单层板级PCB板模型搭建
图9 单层板级PCB板风量分布云图
图10 单层板级PCB板模型编译计算温度曲线走势图
表1 单层板级PCB板满载实测温度数据与仿真数据对比表
结论
由上方测试的数据对比可知，本次单层板级PCB板热仿真达到了降低PCB上大功耗芯片热量的目的，整体运行温度在其接受范围内。可以通过热仿真设计作为产品研发与设计的辅助手段。
下一章我们将为大家介绍单层板级BIB板的整体热分析流程，其将涵盖检测芯片的模型搭建，准确性验证，socket选型与性能分析【多结点位分析】，整体PCB板socket位置分布分析以及最终运行时单层板级BIB板的热性能分析等。
END
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