如何对PCB进行精准的电热协同仿真

前言

随着电子设备功能的日益增强和尺寸的不断缩小，热管理问题变得越来越突出，电热仿真在现代电子产品设计和开发中扮演着至关重要的角色。电磁和热耦合是指电磁场与温度场之间的相互作用，这种耦合作用在许多工程应用中都非常关键。电流作用于导体时会产生焦耳热，而这些产生的热量又会对电子系统的信号质量产生关键的影响。高效的电热仿真流程可以帮助工程师在产品设计早期识别和解决潜在的热问题，从而提高产品的可靠性、性能和寿命。本文主要使用芯和半导体Notus平台演绎了“如何对PCB进行精准的电热协同仿真”，从而在设计前期快速定位温度过热区域，进行热裕量分析，降低产品设计风险。    

Notus平台简介

芯和半导体Notus是用于芯片、封装和系统的信号完整性、电源完整性仿真和热分析的仿真软件平台。信号完整性仿真功能包括芯片封装和系统板级的低速信号拓扑提取和DDR信号的S参数仿真，可以分析信号拓扑结构，布局布线风险，分析DDR信号阻抗、插损、回损、串扰等风险。电源完整性仿真功能包含芯片封装和系统板级的电源DC压降仿真、PDN阻抗仿真、电热仿真，可以分析封装和PCB系统电源设计风险，保证电源质量。

Notus 电热协同

建模仿真流程介绍

1.PCB仿真模型导入

首先，打开Notus，点击菜单栏中的Layout，选中要导入的版图文件，如图1所示。

图 1 

导入设计文件

接着，在弹出的导入窗口中选择需要导入的网络，点击OK后，主界面就会出现PCB的版图，如图2所示。

图 2

选择导入的网络

2.创建电热仿真Flow

在Project工程树下的Analysissetup右键->点击New Analysis Flow，创建E/T Co-Simulation仿真流程，点击OK后，界面会出现ET的仿真向导，如图3所示。

图 3

创建E/T 联合仿真流程

3.Electrical仿真参数设置

此应用案例下需要设置的电参数主要包含环境温度、电源网络选择、VRM、Sink。下面我们按照工程树中的向导依次进行设置。

（1）设置环境温度，点击Ambient Temperature，在弹出的对话框中输入环境温度。

（2）选择仿真网络，点击“ET->Electrical”下的“Net”，弹出选择设置仿真网络的弹框。选择参与仿真的电源和地网络，点击“OK”完成仿真网络设置，如图4所示。

图 4

选择仿真网络

（3）设置VRM电源端，点击“ET->Electrical”下的“VRM”，弹出VRM的弹框。选择不同电源类型，点击“Add”，弹出设置pin脚的弹框，选择pin脚点击“Add Pins”添加pin脚，如图5所示。  

图 5

设置VRM

（4）设置Sink负载端，点击“ET->Electrical”下的“SINK”，弹出SINK的弹框。右键后选择不同添加Sink的方式，这里我们选择Add Sink by selected nets，设置负载端的电压和电流后，点击OK，如图6所示。  

图 6

设置Sink

4.Thermal仿真参数设置

本章节需要对热器件材料和热源，散热方式进行设置。 （1）设置热器件，双击Thermal workflow->Simulation Setup->Thermal Components，勾选相应的器件参与热仿真，并进行器件外形、材料，以及热源和散热器类型的设置，如图7所示。  

图 7

设置Thermal Components

（2）Simulation Conditions设置。 点击“ET->Thermal”下的“Simulation Conditions”，弹出Simulation Conditions的弹框。选择强制散热或者自然对流方式，并设置相关散热参数和恒温边界，如图8所示。  

图 8

设置Simulation Conditions

5.查看仿真结果及报告导出

右键工程树下的“ET”,点击“Result->Result Table”,弹出“ET Result”弹框，分为2个页签，分别显示“DC Result”和“Thermal Result”，可分别查看对应的电的结果和热的结果的相关的结果。 （1）右键工程树下的“ET”,点击“Display DC”，页面显示电压结果云图，可切换不同选项查看电流密度、电流、电压密度、功率损耗等相关电的结果云图，如图9所示。

图9

查看DC电压云图

（2）点击“Display Thermal 2D”，页面显示2D温度云图，可切换不同层查看温度云图在版图中的显示，如图10所示。

图10

查看2D温度云图

（3）点击“Display Thermal 3D”，页面显示3D温度云图，通过Change View可选择从不同的视角查看3D云图显示。勾选不同的层，显示不同层或者器件的温度云图的渲染:选择Show Temperature on Slice可从不同方向进行不同位置剖面图的查看。勾选Show Hot Spots查看版图中最高温的位置和温度值，勾选Pick Point Value时，鼠标放置版图的位置可查看该点的位置信息和温度数值，如图11所示。

图11

查看3D温度云图

（4）右键工程树下的“ET”,点击“Result->Generate report”，弹出“ET Report Setting” 设置界面，选择需要导出的报告的相关内容的选项，如图12所示。

图12

导出报告

总结

本文主要介绍了如何在Notus平台中对PCB设计进行电热协同仿真的流程：从创建ET仿真流程开始，按照软件向导式的指引进行操作，依次完成设计文件的导入、仿真net选择、设置环境温度、VRM、Sink端等关于电方面的设置，以及对于热器件参数的设定和散热器参数的设置，最后借助Notus软件的仿真引擎，得到本次仿真的电压云图和温度云图等仿真结果。 Notus信号完整性、电源完整分析和热分析仿真平台可以有效的在设计前期对器件功耗和温度场分布进行预判，提升设计效率。  

关于芯和半导体EDA

芯和半导体提供“半导体全产业链仿真EDA解决方案”，是新一代智能电子产品中设计高频/高速电子组件的重要工具，拥有领先的2.5D/3D Chiplet先进封装设计分析全流程的EDA平台。产品涵盖三大领域：：

芯片设计：匹配主流晶圆厂工艺节点，支持定制化PDK构建需求，内嵌丰富的片上器件模型，帮助用户快速精准地实现建模与寄生参数提取。

封装设计：集成多类封装库，提供通孔、走线和叠层的全栈电磁场仿真工具，为2.5D/3DIC先进封装打造领先的统一仿真平台，提高产品开发和优化效率。

系统设计：基于完全自主产权的EDA仿真平台，打通整机系统建模-设计-仿真-验证-测试的全流程，助力用户一站式解决高速高频系统中的信号完整性、电源完整性、热和应力等设计问题。

关于芯和半导体

芯和半导体是一家从事电子设计自动化（EDA）软件工具研发的高新技术企业，以仿真驱动设计，提供覆盖IC、封装到系统的具备完全自主知识产权的全产业链 EDA 解决方案，支持先进工艺与先进封装，致力于赋能和加速新一代高速高频智能电子产品的设计，已在5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用。

芯和半导体创建于2010年，运营及研发总部位于上海张江，在苏州、武汉、西安设有研发分中心，在美国硅谷、北京、深圳、成都、西安设有销售和技术支持部门。