印刷電路板(PCB)除了做為乘載電子元件的基板之外,也透過導線將這些元件連結在一起,以達到所需的系統功能,因此,PCB上電性與熱傳導的相互作用必定會影響其效能與可靠度。尤其隨著電子元件的尺寸持續縮小,但又需增加功率來滿足設計與功能性要求,已使得PCB熱效應的重要性越來越突顯,也因此推升了PCB設計對電/熱協同模擬與分析的需求。

另一方面,我們正邁向萬物互聯的物聯網(IoT)新世代,對各種智慧城市、智慧家庭、智慧汽車等各種應用,PCB設計無疑扮演了實現此願景的重要角色。以汽車市場為例,電動車、自駕車、V2X架構等技術的快速發展,使得汽車採用半導體元件的比例大為提升。在傳動系統、資訊娛樂系統、無線連結,以及安全性等應用中,強韌的系統級PCB設計將與系統完整性息息相關。為了達到效能要求,電子元件在PCB上的溫度反應與操作情況,以及整體的熱源管理,都會對系統的功能性與可靠度帶來重大影響。

此外,由於功能密度的不斷提升,系統級封裝和PCB也將持續演進,朝更高的複雜度邁進,才能滿足各種功能需求。從智慧型手機、到智慧家庭與智慧城市等各種應用,實現這些技術與基礎架構的三個關鍵要素是:感測、致動與連接,這些功能不管在元件或系統層級都必須可靠地運作。

但是,在封裝或系統中,晶片常會隨著時間的改變而有溫度上升的現象,或甚至會在系統中出現「熱點」。因此,需要能明確研判PCB溫度隨時間的變化情況,才能知道系統元件是否會如同設計所預期地正常運作。此外,PCB板上的功率消耗及散熱路徑也必須詳細的評估,才能確認電子元件的有效性與功能性不會因溫度升高而受到影響。舉例來說,若PCB上有多顆感測器,「熱點」可能會顯著影響感測器的反應,因此若能在設計初期就妥善安排感測器元件的位置,便能夠有效避免日後故障的發生。

另一方面,PCB上元件的緊密排列或是多層PCB設計都會面臨嚴苛的冷卻挑戰。若能從模擬或量測取得可靠的溫度數據,就能在設計時謹慎評估,是否改採不同的材料或重新放置元件。

顯然,一套能夠準確預測系統電熱效應的模擬工具是必要的,它能提供設計人員更明確的資訊,以滿足複雜系統設計的需求。這類工具必須擁有處理系統級分析的能力,並解決晶片與封裝在不同操作階段的暫態(transient)溫度反應。此外,一套理想的模擬工具還需要能與封裝和PCB設計緊密連結,才能加速設計週期,減少設計反覆。

創新的「熱網路」(Thermal Network)方法

傳統以來,熱傳分析都是採用有限元素法(Finite Element Method),利用切割網格的方式來進行分析。然而,一個電子產品可能會涵蓋從奈米級晶片到尺寸達公尺級的資料中心用大型系統,要在這樣如此寬廣的尺寸範圍中進行傳統的系統級有限元素熱能分析有其實際上的困難,勢必無法完整考量晶片或封裝中細微熱點對系統熱傳帶來的影響。

20170706NT01P1 圖1 典型的瞬態熱模擬。

為了解決此一問題,Cadence建立了一套創新的Thermal Network方法。它的基本概念是利用熱參數來代表各個固體元件的熱傳特性,再與流場熱模型結合,來進行系統級熱分析。

這是一套包含暫態、穩態(steady-state),以及計算流體動力學(CFD)的完整方案,且能夠與既有的EDA工具整合,以協助設計人員更正確掌握PCB電熱相互效應的真實物理現象。

為了縮短上市時程與確保產品品質,運用能夠處理系統級電熱協同分析的模擬工具,來提供明確的訊息是非常必要的。

此全新做法目前正在緊鑼密鼓的開發階段,並與客戶合作進行準確度驗證中,將能提供電子設計工程師一套熱感知(thermal-aware)的分析工具,並為傳統的系統熱傳分析帶來全新的視野與不同的思維。