【各种轮子2】基于Icepak的PCB散热仿真比较
目录
1、前言
2、建模过程
2.1 PCB 板建模
2.2 QFN 芯片封装建模
2.3 基于热阻模型的芯片建模
3、仿真结果
小结
参考资料：
1、前言
随着电子产品的集成度越来越高，PCB板的尺寸越来越小，板级芯片散热的问题越来越成为电子工程师的一个重要挑战。对于板级芯片散热，主要依靠工程师对PCB自身的设计进行优化，同时要兼顾系统的尺寸和成本。本文分别从芯片角度和PCB角度进行建模，芯片模型选用QFN封装，PCB模型采用走线导入模型，探讨了芯片结构，PCB铜厚，PCB叠层厚度对芯片散热的影响。
2、建模过程
为了最大程度的还原仿真对象，PCB模型采用Icepak自带PCB模型，通过导入真实的走线Trace真实模拟PCB的散热能力。芯片也是采用Icepak自带的Package模型 对QFN封装进行详细建模。
2.1 PCB 板建模
通过ODB模型导入PCB 走线信息，并编辑PCB的叠层及铜厚：
设置板子尺寸为23X40mm
PCB铜厚为1oz（0.035mm）
PCB总叠层厚度为1.64mm
不考虑走线电流发热影响（可通过SIwave导入，关注我后续带你分析！）
图2.1 PCB 参数和走线导入设置
图2.2 PCB 导入走线后视图
2.2 QFN 芯片封装建模
根据数据手册尺寸设置QFN 芯片尺寸：
芯片外尺寸6x6x0.75mm
芯片Die尺寸3x3mm
散热盘尺寸5.4x5.4mm
芯片损耗为0.165w
其他按照规格书设置
图2.3 QFN 芯片封装设置
图2.4 QFN 芯片参数说明
2.3 基于热阻模型的芯片建模
使用QFN的热阻参数，建立二维热阻模型：
MinZ 为紧贴PCB的面（Bottom）
Rjc为 Junction-Case 热阻
Rjb为 Junction-Bottom 热阻，为主要传热路径
芯片损耗为0.165w
图2.5 QFN的二维热阻模型
3、仿真结果
静态PCB散热主要形式为自然对流和辐射散热，通过重力模拟，和DO辐射模型对PCB进行仿真，参数设置如下：
图3.1 仿真参数设置
通过芯片和PCB的详细建模，可以获得散热模型的各种散热细节的仿真结果：
图3.2 PCB 表面散热云图
图3.3 PCB 内层散热云图
图3.4 PCB 周边自然对流情况
对仿真结果进行处理和分析：
|
仿真序号 |
仿真条件 |
仿真温度 |
温升 |
|---|---|---|---|
|
1，102 |
20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型；铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm |
56.8C |
36.8C |
|
2，104 |
20C，Pdis=0.165W，热阻QFN模型；铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm |
59.3C |
39.3C |
|
3，105 |
20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型；铜厚2oz，叠层绝缘层0.5mm |
43.9C |
23.9C |
|
4，106 |
20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型；铜厚2oz，叠层绝缘层0.25mm |
36.2C |
16.2C |
|
5，107 |
20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型；铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm，PCB倒立放置 |
57.0C |
37.0C |
|
6，108 |
20C，Pdis=0.165W，真实QFN模型；铜厚1oz，叠层绝缘层0.5mm，侧面0.1m/s风冷 |
54.7C |
34.7C |
由上述仿真结果看出：
真实的QFN模型和热阻模型温度偏差不大，通过使用热阻模型可以简化建模过程
增加PCB 铜厚可以大幅度降低芯片温度，但是成本增加
减少PCB 叠层厚度能够降低芯片温度，成本几乎不变
PCB的摆放角度对芯片温度有一定影响，但是影响有限
微弱的空气对流，对芯片温度影响不大
小结
本文通过对PCB和QFN芯片建模，模拟的多种工况条件下的芯片散热，其中影响PCB散热最直接的因素为PCB叠层厚度和走线铜厚！ 今天的内容就分享到这里，如果对你有帮助，请帮忙三连一下！
参考资料：
《ANSYS Icepak 进阶导航案例》
《ANSYS Icepak 电子散热基础教程》
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