如今電子產(chǎn)品及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)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(dǎo)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(xì)分析其散熱特性，保證產(chǎn)品的性能和可靠性。

 由于電熱效應(yīng)相互影響，電路板上的走線、平面、過孔等產(chǎn)生的焦耳熱會影響溫度分布，而且如今的電子產(chǎn)品設(shè)計中電流越來越大，會進(jìn)一步增加電熱耦合的影響。反過來，溫度升高會導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象，集成電路、封裝、電路板、散熱器之間的散熱主要是熱傳導(dǎo)問題，而上述因素和環(huán)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(lǐng)域，更要兼顧熱傳導(dǎo)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(dǎo)電熱耦合分析的，該方法以傳熱系數(shù)為邊界條件，以簡化的方式考慮對流和輻射效應(yīng)，詳細(xì)模擬固體內(nèi)部的傳導(dǎo)問題，可以在短時間內(nèi)獲得高精度的熱傳導(dǎo)分析結(jié)果。另一種CFD（計算流體動力學(xué)）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(fēng)扇吹過PCB上的空氣）進(jìn)行對流和輻射的詳細(xì)建模，但該方法在處理傳導(dǎo)問題時，要求盡量簡化設(shè)計，所以達(dá)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(jìn)行熱分析工作，達(dá)到優(yōu)勢互補的目的。

 

FEA求解器主要解決的區(qū)域

CFD求解器主要解決的區(qū)域

 

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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(dǎo)入PCB文件，進(jìn)行電與熱相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，運行FEA仿真，得到包含PCB各區(qū)域功率耗散的簡化仿真模型，再導(dǎo)入到CFD求解器中，添加風(fēng)扇、機箱等結(jié)構(gòu)實施CFD仿真，結(jié)果保存為一個CFD模型，代表設(shè)置環(huán)境（自然環(huán)境、風(fēng)冷或水冷等）下的真實傳熱系數(shù)，再回到FEA求解器中導(dǎo)入CFD模型作為邊界條件，重新執(zhí)行電熱仿真，最后得到精確的電熱仿真結(jié)果。

 

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下面以一個PCB熱仿真實例，詳細(xì)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(jié)構(gòu)（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(cè)向?qū)е羞x擇Load Layout File，導(dǎo)入.brd格式的PCB文件，將PCB文件轉(zhuǎn)換為.spd格式的仿真文件。

• 在向?qū)е惺鼓蹺nable 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(shè)置層疊厚度和材料屬性，其中每一層的fill-in填充材料務(wù)必設(shè)置。此外，點擊Pad Stack打開焊盤編輯界面，設(shè)置所有的焊盤過孔材料為copper。

• 設(shè)置電氣參數(shù)，包括VRM和Sink的定義，通過使能的網(wǎng)絡(luò)（電源VCC和地網(wǎng)絡(luò)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(fù)載電流為2A（參數(shù)均為舉例）。

• 設(shè)置環(huán)境溫度和邊界條件，環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境風(fēng)速為0，PCB板水平放置。這里沒有設(shè)置自然環(huán)境的換熱系數(shù)，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(shù)后，會再回到FEA環(huán)境中重新計算。

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

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

• 設(shè)置每個發(fā)熱器件的功率值，所有器件功率如下圖。

• 點擊向?qū)е械腟et 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(jié)束后會輸出一個供CFD仿真的模型，設(shè)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(qū)域，區(qū)域越多，模型越精細(xì)，這里設(shè)置為10X10。

• 設(shè)置計算資源，可選分布式計算或單機計算，設(shè)置計算機核心數(shù)量和內(nèi)存，檢查是否存在錯誤，保存仿真文件，然后點擊Start Simulation進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果的3D熱分布圖如下所示，可見器件U99的最高溫度已經(jīng)達(dá)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(fēng)扇降低這個溫度。

• 剛才的仿真結(jié)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(dǎo)入前面生成的.xml格式的簡化模型，導(dǎo)入的模型包含PCB和元器件的簡化塊結(jié)構(gòu)、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(shè)置Emissivity參數(shù)為0.9。該步驟在本案例強迫對流（風(fēng)扇）應(yīng)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(jié)構(gòu)，并設(shè)置材料、厚度、尺寸和位置參數(shù)如下。

• Chassis下面，點擊Chassis_Back右鍵，選擇Add Axial Fan，在機箱Back一側(cè)添加2個風(fēng)扇，風(fēng)扇參數(shù)設(shè)置如下。

• Chassis_Front右鍵，選擇Add Opening，在機箱Front一側(cè)添加4個通風(fēng)孔，通風(fēng)孔參數(shù)設(shè)置如下。

• 在CFD Component下面選擇Test_Chamber,設(shè)置邊界盒子，尺寸如下。

• Simulation> Options > Simulation Options，設(shè)置靜態(tài)分析中最大迭代數(shù)為200，環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

• Solver Options，設(shè)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(biāo)準(zhǔn)K-e模型），設(shè)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(jié)束可以右鍵Result Summary查看結(jié)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(dǎo)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(shè)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(zhǔn)確的換熱系數(shù)就應(yīng)用到PCB和元器件表面作為邊界條件了。

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

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我們通過FEA-CFD電熱仿真方法，F(xiàn)EA和CFD求解器分工合作，分別應(yīng)用于最適合的場景，實現(xiàn)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(dǎo)和電熱耦合效應(yīng)。