PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)化

 為了滿足日益增加的PCB設(shè)計(jì)要求，不少設(shè)計(jì)工程師感到壓力頗重。每一類新的設(shè)計(jì)都伴隨著性能和可靠性方面的失效風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中大的問(wèn)題是如何在散熱方案和信號(hào)完整性中進(jìn)行取舍。連接元件的高速時(shí)鐘速度需要緊密的靠近，以便確保不出現(xiàn)信號(hào)衰減。但是這類元件還是無(wú)法避免的有很多耗散熱，因此它們之間應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)離，從而有助于降低它們的溫度。

本文描述了如何應(yīng)用熱仿真對(duì)PCB板散熱性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一PCB板是通過(guò)楔形裝置緊鎖在機(jī)箱內(nèi)，并且對(duì)機(jī)箱外部的散熱器翅片進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。在一些惡劣的環(huán)境條件下，根據(jù)局部環(huán)境空氣溫度并且以導(dǎo)熱為主要散熱方式，如何實(shí)現(xiàn)正常的元件結(jié)溫成了一大難題。 

初平面布置方案

圖1顯示了初的平面布置。外部受到強(qiáng)迫風(fēng)冷的機(jī)箱可以使PCB楔形緊鎖裝置處獲得35 ºC的溫度。局部空氣溫度為75 ºC。盡管所有的元件都有熱耗散，但是微處理器和內(nèi)存是整個(gè)PCB板上熱耗散的主要組成部分。

圖1 初始平面布置和重要元件及楔形緊鎖裝置

設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制

有很多種方法可以進(jìn)行布局的熱設(shè)計(jì)，但是它們都遵從一個(gè)原則，那就是如何迅速、方便的將芯片內(nèi)的熱量傳遞至室外環(huán)境中。在這一例子中，我們使用Flomerics的Flotherm軟件通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)兩種有助于排除熱量的改進(jìn)方法進(jìn)行數(shù)值模擬。

首先，以不同相互間距離將內(nèi)存和微處理器遠(yuǎn)離，這里我們保持內(nèi)存位置不變。這樣做有兩方面的好處，一是移動(dòng)了處理器的位置，減少了它對(duì)內(nèi)存的熱影響。另外，處理器的位置更靠近楔形緊鎖裝置可以獲得更低的溫度。

其次，對(duì)內(nèi)存和微處理器下部的陣列熱過(guò)孔的影響進(jìn)行了計(jì)算。圖2中對(duì)熱過(guò)孔進(jìn)行了放大顯示。熱過(guò)孔有助于熱量進(jìn)入到PCB板的內(nèi)部金屬層，特別是那些幾乎布滿整個(gè)PCB板的電源層和地層，在這些層上熱量可以迅速的傳遞到邊緣的楔形緊鎖裝置。如果沒(méi)有這些熱過(guò)孔的存在，那么在微處理器和楔形緊鎖裝置中存在很大的熱阻，這主要是因?yàn)镻CB板頂部的信號(hào)層熱阻很大。

圖2 內(nèi)存和微處理器遠(yuǎn)離以及熱過(guò)孔陣列

這一類新設(shè)計(jì)的PCB板采用GHz的信號(hào)頻率和百億分之一秒信號(hào)上升時(shí)間來(lái)進(jìn)行工作。由于這類上升時(shí)間與波長(zhǎng)具有相同的狀態(tài)，所以關(guān)鍵信號(hào)的衰減可能大為增加。因此內(nèi)存和微處理器之間的距離又應(yīng)盡可能的短，在這一例子中不應(yīng)超過(guò)11mm。

微處理器（封裝形式為TBGA）的大額定結(jié)溫是100 ºC。盡管元件供應(yīng)商提供了一些表征熱性能的數(shù)據(jù) (例如：芯片結(jié)點(diǎn)和環(huán)境之間的熱阻)，但是這些數(shù)據(jù)僅僅適用于一些特定的場(chǎng)合。對(duì)于這類既復(fù)雜又存在元件之間相互熱影響的實(shí)際設(shè)計(jì)而言，為可靠的熱設(shè)計(jì)方法只能是對(duì)整個(gè)PCB板組件進(jìn)行3D的數(shù)值仿真。 

熱仿真

然而，傳統(tǒng)的仿真方法只是集中于單一的研究，僅僅提供一個(gè)可行或不可行的結(jié)論。優(yōu)秀的數(shù)值仿真應(yīng)該可以研究設(shè)計(jì)發(fā)生變化之后，會(huì)對(duì)散熱性能產(chǎn)生何種影響。這就有助于設(shè)計(jì)工程師確定設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這可以通過(guò)建立和模擬一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（DoE）來(lái)完成。使用這一方法首先需要確定設(shè)計(jì)變量。在這一例子中，這些變量是內(nèi)存和微處理器之間的距離和這些元件下方熱過(guò)孔的陣列密度。以所有20個(gè)仿真方案為基礎(chǔ)，將這兩個(gè)變化參數(shù)的不同組合和相應(yīng)微處理器的大結(jié)溫生成一張3D圖。 

圖3顯示了兩個(gè)極端的DoE設(shè)計(jì)方案，方案1是元件下沒(méi)有熱過(guò)孔以及微處理器和內(nèi)存非常接近，方案2是四個(gè)元件下均有稠密的熱過(guò)孔以及微處理器位置非常接近楔形緊鎖裝置。

圖3 差和優(yōu)的方案設(shè)計(jì)結(jié)果

響應(yīng)面

20個(gè)仿真方案結(jié)果使我們對(duì)這些方案的散熱性能有了直觀的了解，例如，圖3中所顯示的優(yōu)和差方案的結(jié)溫。然而，可以通過(guò)使用20個(gè)仿真方案結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行 “響應(yīng)面”擬合，從而獲得更為直觀和完整的3D結(jié)果圖形。這種響應(yīng)面擬合是非常先進(jìn)的曲線擬合。它將兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的交叉作用對(duì)結(jié)溫（圖4）的影響完美的結(jié)合起來(lái)，給人一種直觀、清晰的觀察視角。

圖4 結(jié)溫和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的響應(yīng)面

注意：元件下部的熱過(guò)孔作用通過(guò)熱導(dǎo)率的形式進(jìn)行量化。0.3 W/mK (FR4熱導(dǎo)率)表明元件下部有稠密的熱過(guò)孔陣列。

圖4的響應(yīng)面3D圖充分表明內(nèi)存和微處理器之間的距離越大，則處理器的結(jié)溫越低。此外，在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)熱過(guò)孔密度對(duì)結(jié)溫的影響很大。如果不考慮內(nèi)存和微處理器之間的距離，在熱導(dǎo)率大約0～3 W/mK范圍內(nèi)，少量的熱過(guò)孔密度增加就可以獲得顯著的散熱效果。之后再進(jìn)一步增加元件下熱過(guò)孔的陣列密度只有少量的獲益。

使用圖5可以獲得一個(gè)更為量化的圖表。其中顯示的變量線只是圖4的一部分，以熱過(guò)孔的陣列密度為變量線。元件之間距離和大結(jié)溫的限制，在圖中以黑色直線區(qū)域所表示。通過(guò)觀察允許設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線，很明顯通過(guò)大化元件下熱過(guò)孔的數(shù)目，可以使整個(gè)設(shè)計(jì)具有一定的余量。

圖5 表征設(shè)計(jì)限制的響應(yīng)面區(qū)域

結(jié)論

通過(guò)使用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（Design of Experiments）功能，完成了大量的數(shù)值仿真，之后通過(guò)仿真結(jié)果創(chuàng)建了響應(yīng)面3D圖，從而對(duì)設(shè)計(jì)目的隨設(shè)計(jì)變量響應(yīng)有了一個(gè)直觀的了解。這有助于快速地確定設(shè)計(jì)中的折衷方案，并且可以小化后期由于缺乏設(shè)計(jì)目的與設(shè)計(jì)變量之間響應(yīng)關(guān)系所造成的散熱風(fēng)險(xiǎn)。

本文所介紹的這一例子描述了兩個(gè)獨(dú)立變量共同作用對(duì)散熱性能的影響。事實(shí)上，這一仿真方法可以應(yīng)用到任意數(shù)量的設(shè)計(jì)變量中。舉例，正如兩個(gè)微處理器與楔形緊鎖裝置之間的距離是變量一樣，內(nèi)存和楔形緊鎖裝置之間的距離也可以作為設(shè)計(jì)變量。在現(xiàn)實(shí)中，仿真研究的優(yōu)化限制范圍由設(shè)計(jì)工程師以及計(jì)算可用的資源和時(shí)間所確定。