什么是多物理场，它与PCB设计有何关系？

当复杂系统中没有问题的解析解决方案时，多物理场仿真可以为您提供一个完整的数值解决方案，用于描述系统多个方面的行为。正确的3D解算器可让您基于多个物理领域之间的相互作用来模拟PCB的行为。这种类型的模拟对于不适合基于SPICE的模拟的复杂系统中的行为建模非常有用。

多物理场是什么？

多物理场仿真涉及在单个仿真中对系统的不同物理方面之间的交互进行建模。许多系统很复杂，尤其是电子系统，并且不同的物理量（例如电流和温度）以复杂的方式关联。除了单独的物理模拟之外，工程师还需要考虑物理不同方面之间的相互作用，这需要多物理场模拟方法。这样可以更全面地了解系统的行为。

在任何用于模拟PCB的多物理场模型中，所面临的挑战是要准确地对系统中采购项的行为进行建模，无论这些项是机械负载，耗散热量的电子组件还是系统中的热源和热沉。由于多物理场软件可以使用3D场求解器模拟来求解系统中的微分方程的耦合集，因此另一个挑战是在空间和时间上创建足够精细的系统网格。在空间和时间上精细划分网格对于确保结果准确至关重要，尽管过于精细的划分网格将需要更长的计算时间。平衡计算精度和计算时间是多物理场仿真中的主要挑战。

在PCB中，根据电源完整性和信号完整性分析来量化电气可靠性，其目标是最大程度地减小电源波动，串扰和对EMI的敏感性。评估热可靠性需要进行热仿真，以评估电路板和组件的温度。这使您可以确定电路板是否在适当的温度范围内运行。最后，机械可靠性与高温下的热膨胀有关，您需要评估通孔，焊点以及电路板本身的热应力和机械应力。

动态/瞬态行为与稳态行为

可以在时域中执行多物理场仿真，尽管这些仿真需要大量的计算能力，内存和计算时间。除非您在计算期间利用并行化，否则时域中的小规模3D模拟可能需要几天才能完成。

时域多物理场模拟可以大致分为两种：瞬态模拟和动态模拟。每种类型的仿真都与SPICE封装中的相应电路仿真相似。当系统状态或系统中的源术语突然更改（例如，组件打开或关闭）时，系统需要一些时间来适应此更改。

 

可以为RC电路进行模拟：如果施加到电容器的电压突然从0变为某个正电压，电荷随时间累积在电容器上，则不会立即变为Q = CV。当系统中的采购条款在时间上不连续时，可以在时域的多物理场仿真中检查此行为。

瞬态行为表明您已随着时间的推移将系统转换为稳态。一旦了解了瞬态行为，就可以为开始检查系统稳态行为所需的仿真时间提供基准。在PCB中，一旦系统进入稳定状态，系统的行为就会在时间上保持恒定，您只需要检查整个板上温度，机械应力和电压/电流的空间分布即可。

PCB设计中使用多物理场仿真来验证设计选择，检查电气行为，识别可能的热管理问题，甚至确保机械可靠性。目的是在设计中可能产生电气，热或机械缺陷之前，先确定它们是否会在板上造成重大问题。这些可能包括某些电路中的串扰或非线性电效应，识别板上的热点或抗机械冲击。

一个例子：热循环

电路板在运行期间的热可靠性和机械可靠性以多种方式关联。有源组件会在电路板上产生大量的热量，而FR4基板的低导热系数会导致热量积聚，从而导致温度显着升高。电路板在加热时会膨胀，从而在整个电路板上的走线，过孔和其他电子元件上产生应力。这是由于整个板上不同材料的体积膨胀系数之间的不匹配引起的。

多层板上的通孔在热循环过程中容易断裂。如果电路板以缓慢的速度加热到高温并保持在该温度下，则由于静电应力而对导体造成机械损坏的危险较小。在热循环过程中会出现危险，在这种情况下应力会导致通孔针筒疲劳。由于应力集中在这些位置，焊盘内通孔上的对接也是真正的故障点。

在电路板工作时热循环下对PCB进行的这种多物理场模拟可让您分析电路板中的温度上升与电气操作期间的机械应力之间的联系。您将能够在各个时间点查看整个系统的机械应力，电磁场，电压/电流分布和温度。

 

更进一步：频域仿真

当使用包含纯谐波源的系统时，将多物理场仿真中的控制方程式转换到频域通常非常有用。当您错过系统的瞬态行为时，您将获得有关系统如何响应不同频率源的完整视图。