基于设计数据共享的板级热仿真技术研究（二）

3 叠层铜分布影响研究

系统级热仿真中各种不同板卡的PCB 板往往使用单一薄板模型替代，且赋予单一的热物性参数.而实际情 况是多层PCB 板各叠层以及每层不同区域的铜分布不均匀，传热能力差异明显.在某些情况下，此差异可能会使系统热仿真结果产生很大偏差.因此，需要对 PCB 板各叠层的铜分布进行详细建模与仿真分析.

3. 1 叠层建模对比分析

3. 1. 1 算例描述

以 下通过一个简化算例对比PCB 叠层详细建模与简单建模造成的偏差.以某产品板卡为例进行简化，分别对板卡叠层进行简单建模和复杂建模，对比各个芯片温度 差异.其中边界条件和网格设定均一致，边界条件为开放环境，水平风速为2 m/s.简单模型PCB 设定的3 个方向的导热系数为 Kx = Ky = 40 W/( m·K) ,Kz = 5 W/( m·K)( 简称SIMPLE 40_40_5).详细模型PCB 使用软件设定 参数RLS =50 和NCB =256 进行自动划分，且对各个区域进行自动特性参数赋值( 简称PCB 50_256).图4 为该产品板卡的热仿真 模型.

3. 1. 2 仿真结果及其分析

仿真温度结果对比见表1 和图5.

从上面的对比来看，以往根据经验设定的简单模型PCB 设定物性参数为Kx = Ky = 40,Kz = 5,与实际详细PCB 计算结果差异很明显，一般都有6 ℃ ~39 ℃的偏差.

一 个需要注意的细节是各个芯片计算结果误差的变化范围较大，其中D7 的误差仅为0. 7 ℃，而D29 的误差为39 ℃.这是因为在此模型中D7 表面 使用了散热片，而其他芯片表面没有散热片.没有使用散热片的芯片( 如D29) 的散热途径主要是通过PCB 板导热，然后再由PCB 板表面的空气对流 带走热量，所以PCB 板的建模对其结果影响非常明显.

而D7 由于表面使用了散热片，主要的散热途径是通过芯片表面将热量传导到散热片，通过散热片表面的空气对流带走热量，所以相对来说PCB 的建模对其结果影响较小.

3. 2 叠层铜分布建模优化

3. 2. 1 问题描述

根据目前的使用经验，PCB 叠层划分过于精细将带来下面2 个问题：

1) 网 格数量与质量.以某产品板卡为例，如果按照RLS = 50 和NCB = 256 对每层进行平面划分，且每层至少有一层网格进行描述，则单板 PCB 部分的网格数量将近数十万.由于每层的厚度与板卡长宽相差几个数量级，所以每层的厚度不要使网格的横纵比大于250,以免造成较差的网格质量.

2) 模 型块的数量.如果RLS = 50,NCB = 256,则某产品板卡的PCB 需要由16 000 个不同物性参数的模型块拼成.数量巨大的模型块无论 是在建模.计算还是后处理过程中都会占用大量的系统内存和显存，使部分配置不高的计算机工作效率很低，甚至无法进行.因此为了在保证计算精度的前提下提高 计算效率，需对建模的精细化程度进行优化研究.

3. 2. 2 算例描述

以前述算例为基准，设定RLS =50 或30,NCB =256或9.2 个参数分别取2 个值进行搭配，得到4 个算例： PCB 50_256,PCB 50_9,PCB 30_256 和PCB 30_9.

3. 2. 3 仿真结果及其分析

不同叠层划分精度的仿真温度对比见表2 和图6.

从仿真结果可以看出： 当RLS 从50 降至30,NCB从256 降至9 时，此模型的散热仿真结果误差较小，在保证一定精度的前提下能有效减少模块数量，提高计算效率.使用RLS = 30 和NCB = 9,既能保证一定的计算精度，也能保证计算效率.

3. 3 板级与系统级联合精确热仿真

3. 3. 1 算例描述

为 了进一步验证此简化方法，在某插箱产品的系统级模型中，选择散热状况最恶劣的槽位对某产品板卡使用PCB 叠层详细模型，分别带入 PCB 50_256 和PCB 30_9 进行计算.同时设定PCB 简化模型，分别设定不同的物性参数 SIMPLE 40_40_5: Kx = Ky = 40,Kz = 5; SIMPLE7_7_1: Kx = Ky =7,Kz =1.

3. 3. 2 仿真结果及其分析

板级与系统级联合精确热仿真结果如图7 所示.

从联合精确热仿真结果可知，PCB 50_256 和PCB 30_9的计算结果很接近.在实际使用过程中可以使用RLS = 30 和NCB = 9,这样既能保证一定的计算精度，也能保证计算效率.

之 前使用的简化PCB 物性参数经验设定与实际情况差异较大，但根据调试，当设定Kx = Ky = 7,Kz = 1时，与详细PCB 模型计算结果也很 相近，如果继续优化，也应该能与详细模型计算达到较好的吻合.但是这个简化设定会因实际PCB 设计不同和散热方式( 自然对流或强迫对流) 不同而改变.