Современная электроника №7/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2019 Влияние тепловой модели печатной платы на точность моделирования температуры электронных компонентов В своей практике инженеры регулярно сталкиваются с необходимостью решения задач по обеспечению функционирования радиоэлектронных компонентов в требуемых тепловых режимах. Одним из важнейших вопросов, возникающих при тепловом моделировании электроники, является корректная оценка влияния структуры печатной платы на температуру расположенных на ней электронных компонентов. Алексей Решетников, Владимир Мичурин (pro@ensol-ltd.ru) Существует ряд электронных компо- нентов, охлаждаемых, главным обра- зом, посредством печатной платы: транзисторы цепей питания, силовые диоды, микросхемы без радиаторов и т.д. Для таких элементов 90% (и более) теплового потока от компонента отво- дится через плату. Поэтому корректный учёт структуры печатной платы стано- вится важнейшей задачей. У микросхем, охлаждаемых через установленный на них радиатор (про- цессоры, память, мосты, ПЛИС), в пла- ту уходит порядка 5–10% от общего теплового потока, и им, как правило, в процессе моделирования пренебре- гают. Однако зачастую такую методи- ку расчёта переносят на всю исследуе- мую систему, что нередко приводит к существенным ошибкам. В настоящей статье проводится срав- нение разных методик теплового моде- лирования печатных плат и исследует- ся их влияние на конечный результат анализа – температуру компонентов. П ОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ Сложность задачи корректного моде- лирования печатной платы зависит от устройства самой печатной платы и сложности устройства в целом. Про- стые печатные платы с малым числом слоёв (1–2) и небольшой площадью (100…200 см 2 ) могут быть без особых трудностей детально промоделиро- ваны с использованием классических 3D-решателей без каких-либо упро- щений. Однако подавляющее боль- шинство современных электронных изделий строятся на более сложных печатных платах, имеющих более полутора десятков слоёв и площадь в несколько сотен десятков квадратных сантиметров. Детальное моделирова- ние внутренней структуры таких плат классическими 3D-решателями потре- бует существенных временных затрат и вычислительных ресурсов. Задача моделирования заключается в построении вычислительной сетки с разрешением, достаточным для расчёта модели с требуемой точностью. Структу- ра же печатной платы такова, что соот- ношение её длины иширины к толщи- не слишком велико для разбиения рас- чётной модели на конечные объёмные элементы [1]. Толщина слоёв прово- дника измеряется микронами, а протя- жённость трасс проводников – едини- цами и десятками сантиметров. Сетка для такой структуры содержит десятки и сотни миллионов ячеек, что потребу- ет больших вычислительных ресурсов. Даже с учётом доступности современ- ных вычислительных мощностей, их использование для подобных задач не является оправданным. Поэтому инже- неры-расчётчики вынуждены искать компромиссное решение и упрощать структуру платы при моделировании. Существуют следующие основные методы моделирования печатных плат: 1. Детализированное моделирование печатной платы без упрощения её реальной структуры. 2. Усреднение свойств теплопроводно- сти при помощи материала с анизо- тропными свойствами проводимо- сти – отдельно поперечная и про- дольная проводимость. Продольная проводимость моделирует теплопро- водность в медных слоях проводни- ков, поперечная – теплопроводность от слоя к слою, через текстолит и пе- реходные отверстия. 3. Усреднение свойств теплопроводно- сти с учётом слоистой структуры пла- ты. Свойства материала задаются в зависимости от количества и толщи- ны слоёв проводников и доли метал- лизации в каждом слое. 4. Усреднение свойств послойно по двумерной сетке. Каждый из сло- ёв разбивается двухмерной сеткой с заданным разрешением. В преде- лах каждого квадрата сетки тепловые свойства структуры печатной платы усредняются. 5. Комбинированные методы – соче- тание разных методов, когда, напри- мер, наиболее критичные участки платы вокруг горячих компонентов моделируются с большей детализа- цией, чем вся плата. Не все средства САПР для теплово- го моделирования позволяют реализо- вать все рассмотренные выше методы. Проблемы, как правило, возникают при использовании детализированноймоде- ли и усреднении по сетке. Детализиро- ваннуюмодель бывает непросто коррек- тно перенести из ECAD в САПР теплового моделирования, а утилиты усреднения по двумерной сетке, к сожалению, име- ются не во всех программных средствах теплового моделирования. Ниже проводится сравнение двух методов моделирования печатной платы в различных САПР. В САПР № 1 (SolidWorks Flow Simulation) классиче- ским 3D-решателем строится модель с усреднением свойств платы при помощи анизотропного материала. В САПР № 2 (Cadence Sigrity) выпол- няется детализированное моделиро- вание структуры платы с использова- нием 2,5D-сетки. В качестве примера для расчёта используется модель силового диода с участком печатной платы. Силовой диод (выпрямитель с барьеромШоттки) явля- ется хорошим примером электронного компонента, охлаждаемого преимуще- ственно через плату, что предусмотрено конструкцией его корпуса –D2PAK или TO263. При этом важно знать, насколько сильно он будет нагреваться, т.к. от тем- пературы существенно зависят электри- ческие характеристики диода. Неверная оценка нагрева диода может привести