CN114239442A - 适用于pcb热点排查及散热仿真的方法、系统、介质及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于PCB热点排查及散热仿真的方法、系统、介质及设备，包括：步骤1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；步骤2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；步骤3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；步骤4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；步骤5：对仿真结果进行对比分析；步骤6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回步骤1继续执行。本发明利用热仿真分析方法可以准确定位PCB所有热点及所有器件温度，更直观地看到PCB每个点的热量及变化，省去测量器材的消耗，可以实时调整PCB布局，达到最优的散热方式。

Description

适用于PCB热点排查及散热仿真的方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明涉及热设计技术领域，具体地，涉及一种适用于PCB热点排查及散热仿真的方法、系统、介质及设备。
背景技术
普通PCB热点排查一般两种：
一、使用红外测温设备，此测量方式较为准确，其缺点是局限性比较大，只能测量暴露在空气中的PCB，若表面涂有防红外涂料，则无法进行温度测量。
二、使用接触式温度传感器测量，此测量方式基于传感器探头进行测量，由于是固体接触式，容易存在角落接触不到，导致测量错误。
专利文献CN101221588B(申请号：CN200710036279.9)公开了一种PCB设计中的散热设计方法，包括：步骤一、分析并确定拟设计的PCB中会产生大量热损耗的元器件及其封装选型；确定PCB上的芯片正常工作温度和芯片最高极限温度的差，以及芯片在PCB上需要的热损耗的功耗；步骤二、分析元器件与PCB焊接接触方式、PCB的层叠结构和制作材料以及对应的各种散热方式；步骤三、建立模型以模拟PCB的散热状况并分析各种散热方式；步骤四、根据模型计算结果设计PCB的铜箔铺设、工艺要求、层叠结构，使芯片在所述PCB上工作时能保持正常工作温度。然而该专利的研发周期很长，不利于短期散热产品。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于PCB热点排查及散热仿真的方法、系统、介质及设备。
根据本发明提供的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法，包括：
步骤1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；
步骤2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；
步骤3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；
步骤4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；
步骤5：对仿真结果进行对比分析；
步骤6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回步骤1继续执行。
优选的，通过板材和贴片物料构建PCB模型，根据板材的材质、厚度、中间层介质厚度、导热性能和散热性能进行板材选择。
优选的，所述环境参数包括：大气压强、环境温度、PCB重力方向、太阳辐射温度、导热介质、热传导方式、散热空间大小、材料表面粗糙度、芯片封装的工作结温和芯片工作功耗。
优选的，对于仿真结果，以曲线、表格的形式在可视化界面中进行结果显示，并在可视化界面中对网格进行设置，网格越小，精度越高。
根据本发明提供的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，包括：
模块M1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；
模块M2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；
模块M3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；
模块M4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；
模块M5：对仿真结果进行对比分析；
模块M6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回模块M1继续仿真。
优选的，通过板材和贴片物料构建PCB模型，根据板材的材质、厚度、中间层介质厚度、导热性能和散热性能进行板材选择。
优选的，所述环境参数包括：大气压强、环境温度、PCB重力方向、太阳辐射温度、导热介质、热传导方式、散热空间大小、材料表面粗糙度、芯片封装的工作结温和芯片工作功耗。
优选的，对于仿真结果，以曲线、表格的形式在可视化界面中进行结果显示，并在可视化界面中对网格进行设置，网格越小，精度越高。
根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
根据本发明提供的适用于PCB热点排查及散热仿真的设备，包括：控制器；
所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、利用热仿真分析方法可以准确定位PCB所有热点及所有器件温度，更直观地看到PCB每个点的热量及变化，省去测量器材的消耗，可以实时调整PCB布局，达到最优的散热方式；
2、避免人为测量错误及隔热涂层等无法测量等情况，降低生产试错成本，缩短研发周期。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明方法流程图；
图2为仿真结果对比分析流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明针对高温影响因素，提出了热设计，主要目的就是控制产品温升，即采用适当可靠的方法把PCB输入的热量降至最低，提高散热效果。确保PCB上所有电子元器件所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度，防止产品热失效，从而使设备能按预定的方案正常、可靠的工作。
如图1，本发明提供了一种基于PCB热点排查及散热仿真分析的方法，包括如下步骤：
步骤一：PCB模型建立及导入，将需要分析的PCB模型导入EDA仿真软件，PCB模型由板材，贴片物料构成；
其中，板材模型需按照实际情况进行设定，比如板材材质(一般为FR4)，板材厚度，中间层介质厚度等参数，这些参数均会影响导热性能和散热性能，需要按照实际生产参数进行设置。
步骤二：设置环境参数，环境设置包括：大气压强，环境温度，PCB重力方向，太阳辐射温度，导热介质，热传导方式，散热空间大小，材料表面粗糙度，芯片封装，芯片工作功耗；
参数指设置PCB所在的工作环境，芯片，电感等封装的工作结温等，模拟PCB真实的工作环境，使仿真结果更加准确。
步骤三：研究对象的收敛设置，包括平均温度，最高温度等；
边界环境条件是连接求解区域和外部环境的过渡条件，它也直接影响着求解结果的收敛程度。
步骤四：网格划分，设置仿真精度；网格越小，精度越高。
所述步骤四包括：
网格划分设置基于CFD算法仿真PCB的时间和精度的平衡选择，当PCB为较大的多层板，且网格划分较细时，对应的仿真精度越高，仿真时间就越长。当有特殊局部仿真或调整仿真时间需求时，就需要对网格进行特定的划分，保证精度的同时以缩短仿真时间。
一、由于几何模型建立时，不同物体边界之间产生细小网格线所造成。解决办法是将产生细小网格物体尺寸做细微调整，消除小网格，这样可以减少不必要的网格数量，提高质量。
二、对于有些模型中，必须保留细小网格，比如详细芯片模型，斜面等。可通过采用局域化方法将小网格约束在一定范围之内，同时加密该处网格，这样可以消除大比值问题。
网格划分包括：
1、设置最小实体特征大小，当实体大小设置越小，则在单位体积内求解的点数越多，结果越精确，但仿真时间也会相应加长；
2、设置最小通道大小；
3、指定特定仿真网络单元；
4、指定在X、Y、Z轴上的单元数；
5、定义小缝隙宽度进行仿真优化。
步骤五：仿真结果分析及对比；
如图2，所述步骤五包括：
根据红外测温或其他器材实测的PCB有效数据作为依据，测量PCB上易测量的器件和器件的分析仿真结果对比，温度数据是否接近，则可判断是否贴近事实。此操作可验证以上步骤的合理性和准确性，为后面的PCB布局动态优化提供基础。
若结果差异较大，则需要返回检查设置参数是否准确合理。
仿真结果可以通过曲线、表格方式显示结果，也可通过可视化平面直观显示。
步骤六：量化分析结果，判断是否符合生产要求，若符合则输出符合要求的PCB进行生成，否则调整PCB布局再传输到EDA软件中继续进行试验。
所述步骤六包括：
量化分析结果：芯片或PCB在收敛完成后，在可视化的页面中读取具体芯片或PCB的温度值，平均温度和最高温度，根据温度值对比芯片规格的正常工作温度，对比是否超过芯片允许的正常工作温度。有特殊温度要求时，也可根据设计目标进行优化。超过设计目标值，则认为需要对PCB进行优化。
PCB优化一般分为2种：
1、PCB局部温度过高：
此时需要分析温度过高的局部器件排布是否合理，器件底部铺铜面积是否过小，散热过孔大小位置是否合理；
如当器件密集且散热铜箔面积较小时，容易出现热量聚集的现象，导致PCB局部温度上升，造成局部温度过高。
2、PCB整体温度过高：
此时需要分析PCB上的热源功率值(可视化页面可读)，需将发热较大的器件分开且在有可能的情况下靠近板边摆放。
如若PCB上器件功耗较大，在合理布局后依然无法散热，则需要增加PCB贴层铜厚、添加散热器或更改板材材质等(散热面积大，导热系数高，散热的效果更好)。
根据本发明提供的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，包括：模块M1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；模块M2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；模块M3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；模块M4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；模块M5：对仿真结果进行对比分析；模块M6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回模块M1继续仿真。
通过板材和贴片物料构建PCB模型，根据板材的材质、厚度、中间层介质厚度、导热性能和散热性能进行板材选择。所述环境参数包括：大气压强、环境温度、PCB重力方向、太阳辐射温度、导热介质、热传导方式、散热空间大小、材料表面粗糙度、芯片封装的工作结温和芯片工作功耗。对于仿真结果，以曲线、表格的形式在可视化界面中进行结果显示，并在可视化界面中对网格进行设置，网格越小，精度越高。
根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
根据本发明提供的适用于PCB热点排查及散热仿真的设备，包括：控制器；所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统。
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例。
摄像头PCB热量排查
摄像头PCB由于小体积和高功耗，实际应用中ISP芯片和Sensor芯片造成热量过高，导致系统工作异常，对此进行热量排查和PCB布局优化。
步骤一、PCB设计文件，EDA热仿真软件；
步骤二、导入PCB设计文件，处理PCB模型，设置PCB厚度，对PCB上芯片赋予体积模型；
步骤三、导入热分析组件分析；
步骤三、导入EDA热分析组件，设置环境参数；
大气压强：101.325kpa；重力方向：即PCB摆放的位置方向，本例中是-y方向；
环境温度：26℃；传热方式：端流传热；PCB粗糙度：0.002mm，计算域大小xyz各0.5m，由于室内工作，不考虑太阳辐射影响；
步骤四、设置器件参数；
PCB厚度1.6mm；PCB材质：4层PCB各相异物；ISP芯片封装：QFN；电源芯片封装：TSOP；sensor芯片封装：BGA；并选择树脂封装材料；
芯片封装决定芯片结温，对仿真结果影响较大，当芯片有热仿真模型时，尽量导入芯片厂商的热仿真模型，以保证准确性。
步骤五、测试各芯片的工作功耗具体数据；
设置各芯片的工作功耗：ISP：0.4W；sensor：0.3W；电源芯片*4：各0.1W；
步骤六、设置收敛对象，设置观察对象为PCB平均温度，ISP和sensor平均、最高温度；
步骤七、网格划分，由于PCB面积较小，对网格划分较细；
设置最小实体特征大小为0.001m；设置最小通道大小为0.001m；不指定特定仿真网络单元；不指定在X、Y、Z轴上的单元数；小缝隙宽度大小为0.0001m；
步骤八、运行仿真，求解收敛目标；
步骤九、对比分析仿真数据；
实测ISP温度：69℃；仿真ISP温度：70℃；
步骤十、优化PCB布局；
由仿真结果和实测结果可以看出，热量主要集中在ISP和Sensor芯片底部，芯片的正常工作温度是70℃，此时改方案明显不满足要求，需要调整。
优化方案：
1、将ISP和Sensor尽量分开一些距离，且ISP靠近板边摆放，使热量最小路径接触到空气；
2、在ISP底部打9个通孔进行散热；
3、在ISP背面通孔处进行开窗处理，让铜皮直接接触空气；
4、移动电源芯片致温度较低处，降低中心区热量。
步骤十一：运行仿真，求解收敛对象；
观察ISP温度，由70℃下降到62℃，满足设计目标。
本实例难点在于芯片和PCB的参数设置，由于很多芯片没有热仿真模型，不设置仿真封装模型或随意设置模型封装，将导致温度曲线偏差实际，对局部热分析影响非常大，往往会导致设计及优化失败。
PCB整体温度模型选择：
首先应在导热系数库选择相应或接近的封装模型，然后在封装界面上根据芯片的规格参数进行参数修改，比如结温，导热系数，发射率等参数，形成一个集中参数的一个块模型，用此来代替一种封装类型的器件，可以在原封装模型的精度上有效提高建模精度，使模型更贴合实际。
对于整个系统来说，器件模型并不影响整个系统的热流场，对于系统设计来说，设计一个良好的热流系统，使系统中不存热点、不存在回流以及整个系统具有较小的阻力。也这个器件只是整个系统的一小部分，其自身的误差也许在孤立的环境下非常大，但当它融入一个复杂的系统后，由于环境之间的互相影响，以及热流通道的增多，它的相对误差就会大幅度降低，其自身的模型的误差相对其他环境因素变小了。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于PCB热点排查及散热仿真的方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；
步骤2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；
步骤3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；
步骤4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；
步骤5：对仿真结果进行对比分析；
步骤6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回步骤1继续执行。
2.根据权利要求1所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法，其特征在于，通过板材和贴片物料构建PCB模型，根据板材的材质、厚度、中间层介质厚度、导热性能和散热性能进行板材选择。
3.根据权利要求1所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法，其特征在于，所述环境参数包括：大气压强、环境温度、PCB重力方向、太阳辐射温度、导热介质、热传导方式、散热空间大小、材料表面粗糙度、芯片封装的工作结温和芯片工作功耗。
4.根据权利要求1所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法，其特征在于，对于仿真结果，以曲线、表格的形式在可视化界面中进行结果显示，并在可视化界面中对网格进行设置，网格越小，精度越高。
5.一种适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，其特征在于，包括：
模块M1：构建PCB模型，并导入至EDA仿真软件；
模块M2：在EDA仿真软件中设置PCB的工作环境参数；
模块M3：设置PCB在收敛过程中的边界条件，并进行收敛；
模块M4：对收敛结果进行网格划分，设置仿真精度，并进行仿真；
模块M5：对仿真结果进行对比分析；
模块M6：量化分析结果，若符合预设要求则进行PCB生产，否则对PCB布局进行改进，返回模块M1继续仿真。
6.根据权利要求5所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，其特征在于，通过板材和贴片物料构建PCB模型，根据板材的材质、厚度、中间层介质厚度、导热性能和散热性能进行板材选择。
7.根据权利要求5所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，其特征在于，所述环境参数包括：大气压强、环境温度、PCB重力方向、太阳辐射温度、导热介质、热传导方式、散热空间大小、材料表面粗糙度、芯片封装的工作结温和芯片工作功耗。
8.根据权利要求5所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统，其特征在于，对于仿真结果，以曲线、表格的形式在可视化界面中进行结果显示，并在可视化界面中对网格进行设置，网格越小，精度越高。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
10.一种适用于PCB热点排查及散热仿真的设备，其特征在于，包括：控制器；
所述控制器包括权利要求9所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求5至8中任一项所述的适用于PCB热点排查及散热仿真的系统。
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