如今電子產品及其相關產業正在追求小型化、集成化、高頻高速率，電路板上的元器件功率越來越大，同時高密度封裝和組裝使得元器件的散熱空間越來越小，導致熱流密度急劇增高。因此作為元器件散熱載體的電路板，需要詳細分析其散熱特性，保證產品的性能和可靠性。

 由于電熱效應相互影響，電路板上的走線、平面、過孔等產生的焦耳熱會影響溫度分布，而且如今的電子產品設計中電流越來越大，會進一步增加電熱耦合的影響。反過來，溫度升高會導致電阻的增大，帶來更高的直流壓降從而影響元器件供電。因此這兩個問題必須同時得到模擬和解決。

板級的傳熱問題包含了豐富的對流與傳導現象，集成電路、封裝、電路板、散熱器之間的散熱主要是熱傳導問題，而上述因素和環境（氣體或液體）之間的散熱則是熱對流問題。因此，對于板級熱分析來講，不僅要同時分析電氣和熱物理領域，更要兼顧熱傳導分析和熱對流分析，需要的是一個多物理場的仿真解決方案。

FEA（有限元分析）求解器是用于熱傳導電熱耦合分析的，該方法以傳熱系數為邊界條件，以簡化的方式考慮對流和輻射效應，詳細模擬固體內部的傳導問題，可以在短時間內獲得高精度的熱傳導分析結果。另一種CFD（計算流體動力學）求解器用于熱對流和熱輻射模擬，通過流體流動的實際模擬（如風扇吹過PCB上的空氣）進行對流和輻射的詳細建模，但該方法在處理傳導問題時，要求盡量簡化設計，所以達不到FEA的求解精度和效率。因此我們可以同時使用上述兩種仿真方法進行熱分析工作，達到優勢互補的目的。

 

FEA求解器主要解決的區域

CFD求解器主要解決的區域

  

---

本文章以Cadence的Celsius Thermal Solver作為仿真工具，利用它的FEA-CFD電熱仿真流程實施分析工作，流程圖如下所示：

導入PCB文件，進行電與熱相關的參數設置，運行FEA仿真，得到包含PCB各區域功率耗散的簡化仿真模型，再導入到CFD求解器中，添加風扇、機箱等結構實施CFD仿真，結果保存為一個CFD模型，代表設置環境（自然環境、風冷或水冷等）下的真實傳熱系數，再回到FEA求解器中導入CFD模型作為邊界條件，重新執行電熱仿真，最后得到精確的電熱仿真結果。

 

---

下面以一個PCB熱仿真實例，詳細說明仿真步驟。

① FEA求解器提取簡化模型

• 啟動Cadence Celsius Thermal Solver，選擇并打開Solid Objects Simulation for Layered Structures模塊，該模塊就是基于FEA求解仿真層狀結構（PCB板）。

• 選擇菜單欄中Tools > Options > Edit Options，在Translator一欄中使能下圖中的兩項，保證板框按照design outline、器件尺寸按照place bound定義。

• 在軟件界面左側向導中選擇Load Layout File，導入.brd格式的PCB文件，將PCB文件轉換為.spd格式的仿真文件。

 

• 在向導中使能Enable E/T Co-Simulation Mode選項，選擇電熱耦合仿真模式。

• 點擊Check Stackup，打開層疊管理界面，檢查并設置層疊厚度和材料屬性，其中每一層的fill-in填充材料務必設置。此外，點擊Pad Stack打開焊盤編輯界面，設置所有的焊盤過孔材料為copper。

• 設置電氣參數，包括VRM和Sink的定義，通過使能的網絡（電源VCC和地網絡GND）和器件自動生成VRM和Sink，其中VRM電壓為5V，板中所有用電負載電流為2A（參數均為舉例）。

• 設置環境溫度和邊界條件，環境溫度為25℃，環境風速為0，PCB板水平放置。這里沒有設置自然環境的換熱系數，因為該步驟主要是為了提取用于CFD放置的功率耗散簡化模型，后面用CFD計算出真實的換熱系數后，會再回到FEA環境中重新計算。

 

• 勾選作為發熱件的所有器件，設置每個器件的尺寸參數，包括長寬、厚度，點擊Calc Outline and Position，軟件會自動根據place bound得到器件的尺寸。

 

• 設置每個發熱器件的屬性，可以是熱阻模型參數、也可以是定義元器件的等效材料，這里設置器件的材料為MoldingCompound。

• 設置每個發熱器件的功率值，所有器件功率如下圖。

• 點擊向導中的Set up Thermal Simulation，打開Thermal Simulation Options，選擇Generate Simplified CFD Model，勾選Generate CFD Model選項代表仿真結束后會輸出一個供CFD仿真的模型，設置NX和NY兩個值，表示將PCB劃分為多少個計算功率耗散的區域，區域越多，模型越精細，這里設置為10X10。

• 設置計算資源，可選分布式計算或單機計算，設置計算機核心數量和內存，檢查是否存在錯誤，保存仿真文件，然后點擊Start Simulation進行仿真。仿真結果的3D熱分布圖如下所示，可見器件U99的最高溫度已經達到170℃，這個溫度是不可接受的，因此下面我們在CFD求解器中使用風扇降低這個溫度。

• 剛才的仿真結束后，會在工程目錄下生成一個.xml格式的簡化模型，用于后面的CFD仿真。

 

② CFD求解器提取CFD模型

• Fluid Flow Simulation模塊，該模塊就是基于CFD求解仿真流體。

• Modeller> Import Simplifed Model,導入前面生成的.xml格式的簡化模型，導入的模型包含PCB和元器件的簡化塊結構、材料屬性、功耗、終端定義等。

• Tools> Edit Library > Material，從庫中選擇aluminum鋁材料并點擊Export to Design輸出到工程模型里。

• From Design欄中的所有102種材料，右鍵并選擇Bulk Edit，設置Emissivity參數為0.9。該步驟在本案例強迫對流（風扇）應用中并不重要，但如果是仿真自然對流的情況則十分重要。

• CFD Component下的上下前后左右所有Chassis部件，勾選Installed，說明加入機箱結構，并設置材料、厚度、尺寸和位置參數如下。

 

• Chassis下面，點擊Chassis_Back右鍵，選擇Add Axial Fan，在機箱Back一側添加2個風扇，風扇參數設置如下。

 

• Chassis_Front右鍵，選擇Add Opening，在機箱Front一側添加4個通風孔，通風孔參數設置如下。

 

• 在CFD Component下面選擇Test_Chamber,設置邊界盒子，尺寸如下。

• Simulation> Options > Simulation Options，設置靜態分析中最大迭代數為200，環境溫度設置為25℃。

• Solver Options，設置CPU最大使用率為67%，Turbulence Model選擇Standard K-e model（自然對流使用層流，強制對流使用標準K-e模型），設置Convergence Control為Residual Only。

• 保存工程，點擊紅色三角形符合開始仿真，仿真結束可以右鍵Result Summary查看結果。在工程目錄下***_EX_CFD文件夾中會自動生成一個包含強制對流的CFD模型。

 

③ 導入CFD模型到FEA求解器中實施最終電熱仿真

• FEA求解器的PCB板仿真中，打開之前仿真過設置好的demo.spd文件，在workflow中點擊Set up Thermal Simulation，選擇Generate Simplified CFD Model界面，取消Generate CFD Model的勾選。

• 選擇Setup Heat Transfer Coefficients界面，使能Use Defined CFD File選項，點擊Browse，指向剛才CFD仿真生成的.cfd文件，點擊Auto-match by Terminal Name，這樣通過CFD仿真得到的、真實準確的換熱系數就應用到PCB和元器件表面作為邊界條件了。

• 重新仿真，得到的結果如下，因為在機箱中使用風扇冷卻的強制對流，U99的最高溫度降到了59.8℃。

 

---

我們通過FEA-CFD電熱仿真方法，FEA和CFD求解器分工合作，分別應用于最適合的場景，實現了PCB在強迫對流下的電熱耦合仿真，精確、高效地模擬熱對流、熱傳導和電熱耦合效應。

本文來自公眾號：封裝與高速技術前沿