前言

隨著電子設備功能的日益增強和尺寸的不斷縮小，熱管理問題變得越來越突出，電熱仿真在現代電子產品設計和開發中扮演著至關重要的角色。電磁和熱耦合是指電磁場與溫度場之間的相互作用，這種耦合作用在許多工程應用中都非常關鍵。電流作用于導體時會產生焦耳熱，而這些產生的熱量又會對電子系統的信號質量產生關鍵的影響。高效的電熱仿真流程可以幫助工程師在產品設計早期識別和解決潛在的熱問題，從而提高產品的可靠性、性能和壽命。本文主要使用芯和半導體Notus平臺演繹了“如何對PCB進行精準的電熱協同仿真”，從而在設計前期快速定位溫度過熱區域，進行熱裕量分析，降低產品設計風險。

Notus平臺簡介

芯和半導體Notus是用于芯片、封裝和系統的信號完整性、電源完整性仿真和熱分析的仿真軟件平臺。信號完整性仿真功能包括芯片封裝和系統板級的低速信號拓撲提取和DDR信號的S參數仿真，可以分析信號拓撲結構，布局布線風險，分析DDR信號阻抗、插損、回損、串擾等風險。電源完整性仿真功能包含芯片封裝和系統板級的電源DC壓降仿真、PDN阻抗仿真、電熱仿真，可以分析封裝和PCB系統電源設計風險，保證電源質量。

Notus 電熱協同

建模仿真流程介紹

1.PCB仿真模型導入

首先，打開Notus，點擊菜單欄中的Layout，選中要導入的版圖文件，如圖1所示。

圖 1

導入設計文件

接著，在彈出的導入窗口中選擇需要導入的網絡，點擊OK后，主界面就會出現PCB的版圖，如圖2所示。

圖2

選擇導入的網絡

2.創建電熱仿真Flow

在Project工程樹下的Analysissetup右鍵->點擊New Analysis Flow，創建E/T Co-Simulation仿真流程，點擊OK后，界面會出現ET的仿真向導，如圖3所示。

圖 3

創建E/T 聯合仿真流程

3.Electrical仿真參數設置

此應用案例下需要設置的電參數主要包含環境溫度、電源網絡選擇、VRM、Sink。下面我們按照工程樹中的向導依次進行設置。

（1）設置環境溫度，點擊Ambient Temperature，在彈出的對話框中輸入環境溫度。

（2）選擇仿真網絡，點擊“ET->Electrical”下的“Net”，彈出選擇設置仿真網絡的彈框。選擇參與仿真的電源和地網絡，點擊“OK”完成仿真網絡設置，如圖4所示。

圖 4

選擇仿真網絡

（3）設置VRM電源端，點擊“ET->Electrical”下的“VRM”，彈出VRM的彈框。選擇不同電源類型，點擊“Add”，彈出設置pin腳的彈框，選擇pin腳點擊“Add Pins”添加pin腳，如圖5所示。

圖 5

設置VRM

（4）設置Sink負載端，點擊“ET->Electrical”下的“SINK”，彈出SINK的彈框。右鍵后選擇不同添加Sink的方式，這里我們選擇Add Sink by selected nets，設置負載端的電壓和電流后，點擊OK，如圖6所示。

圖 6

設置Sink

4.Thermal仿真參數設置

本章節需要對熱器件材料和熱源，散熱方式進行設置。 （1）設置熱器件，雙擊Thermal workflow->Simulation Setup->Thermal Components，勾選相應的器件參與熱仿真，并進行器件外形、材料，以及熱源和散熱器類型的設置，如圖7所示。

圖 7

設置Thermal Components

（2）Simulation Conditions設置。 點擊“ET->Thermal”下的“Simulation Conditions”，彈出Simulation Conditions的彈框。選擇強制散熱或者自然對流方式，并設置相關散熱參數和恒溫邊界，如圖8所示。

圖8

設置Simulation Conditions

5.查看仿真結果及報告導出

右鍵工程樹下的“ET”,點擊“Result->Result Table”,彈出“ET Result”彈框，分為2個頁簽，分別顯示“DC Result”和“Thermal Result”，可分別查看對應的電的結果和熱的結果的相關的結果。 （1）右鍵工程樹下的“ET”,點擊“Display DC”，頁面顯示電壓結果云圖，可切換不同選項查看電流密度、電流、電壓密度、功率損耗等相關電的結果云圖，如圖9所示。

圖9

查看DC電壓云圖

（2）點擊“Display Thermal 2D”，頁面顯示2D溫度云圖，可切換不同層查看溫度云圖在版圖中的顯示，如圖10所示。

圖10

查看2D溫度云圖

（3）點擊“Display Thermal 3D”，頁面顯示3D溫度云圖，通過Change View可選擇從不同的視角查看3D云圖顯示。勾選不同的層，顯示不同層或者器件的溫度云圖的渲染:選擇Show Temperature on Slice可從不同方向進行不同位置剖面圖的查看。勾選Show Hot Spots查看版圖中最高溫的位置和溫度值，勾選Pick Point Value時，鼠標放置版圖的位置可查看該點的位置信息和溫度數值，如圖11所示。

圖11

查看3D溫度云圖

（4）右鍵工程樹下的“ET”,點擊“Result->Generate report”，彈出“ET Report Setting” 設置界面，選擇需要導出的報告的相關內容的選項，如圖12所示。

圖12

導出報告

總結

本文主要介紹了如何在Notus平臺中對PCB設計進行電熱協同仿真的流程：從創建ET仿真流程開始，按照軟件向導式的指引進行操作，依次完成設計文件的導入、仿真net選擇、設置環境溫度、VRM、Sink端等關于電方面的設置，以及對于熱器件參數的設定和散熱器參數的設置，最后借助Notus軟件的仿真引擎，得到本次仿真的電壓云圖和溫度云圖等仿真結果。 Notus信號完整性、電源完整分析和熱分析仿真平臺可以有效的在設計前期對器件功耗和溫度場分布進行預判，提升設計效率。

關于芯和半導體EDA

芯和半導體提供“半導體全產業鏈仿真EDA解決方案”，是新一代智能電子產品中設計高頻/高速電子組件的重要工具，擁有領先的2.5D/3D Chiplet先進封裝設計分析全流程的EDA平臺。產品涵蓋三大領域：：

芯片設計：匹配主流晶圓廠工藝節點，支持定制化PDK構建需求，內嵌豐富的片上器件模型，幫助用戶快速精準地實現建模與寄生參數提取。

封裝設計：集成多類封裝庫，提供通孔、走線和疊層的全棧電磁場仿真工具，為2.5D/3DIC先進封裝打造領先的統一仿真平臺，提高產品開發和優化效率。

系統設計：基于完全自主產權的EDA仿真平臺，打通整機系統建模-設計-仿真-驗證-測試的全流程，助力用戶一站式解決高速高頻系統中的信號完整性、電源完整性、熱和應力等設計問題。

關于芯和半導體

芯和半導體是一家從事電子設計自動化（EDA）軟件工具研發的高新技術企業，以仿真驅動設計，提供覆蓋IC、封裝到系統的具備完全自主知識產權的全產業鏈 EDA 解決方案，支持先進工藝與先進封裝，致力于賦能和加速新一代高速高頻智能電子產品的設計，已在5G、智能手機、物聯網、人工智能和數據中心等領域得到廣泛應用。

芯和半導體創建于2010年，運營及研發總部位于上海張江，在蘇州、武漢、西安設有研發分中心，在美國硅谷、北京、深圳、成都、西安設有銷售和技術支持部門。