面向服務(wù)器產(chǎn)品電熱聯(lián)合仿測(cè)方法研究田少勃中興通訊

RCH四部?2025ANSYS,Inc.仿測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比背景介紹總結(jié)Icepak熱仿真建模仿真中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置目錄近年來電子系統(tǒng)性能不斷提升，導(dǎo)致芯片功耗迅猛增長(zhǎng)，如5G通信、智算服務(wù)器等場(chǎng)景，傳依賴熱設(shè)計(jì)方式已難以滿足當(dāng)對(duì)熱管理與效率的雙重要求，必須在電氣設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電-熱協(xié)同設(shè)計(jì)流程，否則可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)：u過度設(shè)計(jì)，導(dǎo)致成本上升：例如銅箔過厚、風(fēng)扇過大、散熱器冗余、導(dǎo)熱材料選型過優(yōu)；u關(guān)鍵器件熱點(diǎn)未提起識(shí)別：如電源MOS

、VRM等周邊器件溫升過高但未被提前識(shí)別；u系統(tǒng)熱耦合誤判，導(dǎo)致整機(jī)熱失效：多芯片間存在復(fù)雜熱交互，單芯片溫度仿真不再適用為了驗(yàn)證Icepak在電熱耦合仿真的準(zhǔn)確性，本文在測(cè)試板上進(jìn)行仿測(cè)試驗(yàn)證流程。研究?jī)?nèi)容包括：u在Icepak中構(gòu)建電熱耦合模型，涵蓋自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)、強(qiáng)制對(duì)流三類典型熱環(huán)境；u設(shè)計(jì)與制作測(cè)試PCB板，并搭建測(cè)溫平臺(tái)，將仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估模型在不同熱環(huán)境下的偏差與一致性；u基于比對(duì)結(jié)果優(yōu)化熱建模策略，識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)對(duì)仿真精度的影響，提升后續(xù)仿真可信度背景介紹ZTE

自研芯片ZTE5G設(shè)備ZTE服務(wù)器仿測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比背景介紹總結(jié)Icepak熱仿真建模仿真中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置方案類型描述優(yōu)缺點(diǎn)分析最終是否采用電熱加熱膜使用PI加熱膜模擬芯片熱源熱功率可控，易于調(diào)節(jié)功率，但和PCB貼合表面可能不嚴(yán)，導(dǎo)致仿測(cè)差異?實(shí)際芯片模型使用實(shí)際芯片發(fā)熱作為熱源熱源接近真實(shí)，但是芯片工作在不同的狀態(tài)，功率不穩(wěn)定造成熱源不穩(wěn)定，且功耗控制困難?電熱絲PCB上粘電熱絲模擬芯片發(fā)熱熱源穩(wěn)定，但是熱量集中，貼合性差?陶瓷加熱片貼在PCB表面模擬芯片熱源溫度高，厚度大，貼合性差?PCB實(shí)際走線發(fā)熱使用表層走線通電發(fā)熱，模擬芯片熱源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可控，最貼近實(shí)際芯片發(fā)熱，熱源穩(wěn)定，可以用電子負(fù)責(zé)控制電流，易于調(diào)節(jié)功率上表種對(duì)5種設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，為了提升仿測(cè)一致性，選擇第五種方案：在PCB上進(jìn)布線，以走線電阻產(chǎn)生熱量模擬芯片發(fā)熱，和實(shí)際芯片相比，此方案熱源穩(wěn)定，功率可通過電子負(fù)載可控，排除了芯片功耗不穩(wěn)定和熱模型的不準(zhǔn)確性，能更好進(jìn)行仿測(cè)驗(yàn)證。2.1熱建模方案論證本次仿真初期進(jìn)行了5種方案的論證，見下表：2.2熱建模方案論證——PCB走線熱源模型詳解實(shí)際測(cè)試的PCB見下：測(cè)試PCB實(shí)物圖片模型名稱模擬場(chǎng)景驗(yàn)證目的純PCB自然對(duì)流（無風(fēng)）驗(yàn)證Icepak對(duì)自然對(duì)流的仿真的準(zhǔn)確性PCB+散熱器熱源加裝散熱片驗(yàn)證Icepak對(duì)熱傳導(dǎo)路徑仿真的準(zhǔn)確性PCB+風(fēng)扇加風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流驗(yàn)證Icepak對(duì)空氣對(duì)流仿真的準(zhǔn)確性三種場(chǎng)景驗(yàn)證三種目的，見下：u第一種模型僅包含了發(fā)熱原件和PCB本體，是最基礎(chǔ)的自然對(duì)流，驗(yàn)證Icepak對(duì)最基礎(chǔ)的自然對(duì)流的仿真；u第二種模型在發(fā)熱區(qū)域加裝了鋁制散熱器，驗(yàn)證Icepak對(duì)熱傳導(dǎo)路徑仿真的準(zhǔn)確性；u第三種模型加入風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷，模擬空氣對(duì)流對(duì)熱源散熱的影響，驗(yàn)證Icepak空氣對(duì)流仿真的準(zhǔn)確性;2.3

仿真場(chǎng)景為了系統(tǒng)性驗(yàn)證Icepak的熱仿真的準(zhǔn)確性，我們構(gòu)建了三種散熱結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)見下：仿測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比背景介紹總結(jié)Icepak熱仿真建模仿真中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置序號(hào)參數(shù)名稱對(duì)仿真的影響1疊層銅箔厚度決定走線電阻、電流密度，焦耳熱大小2銅箔電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系決定銅阻隨溫度變化，影響發(fā)熱和變化3板材熱傳導(dǎo)系數(shù)決定熱量向PCB內(nèi)部或背面?zhèn)鲗?dǎo)的能力4風(fēng)扇尺寸和風(fēng)速影響對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而影響仿真熱對(duì)流效率5散熱器尺寸決定散熱效率，直接影響溫度分布和散熱能力6網(wǎng)格尺寸Icepak中網(wǎng)格尺寸直接決定了仿真結(jié)果的精確程度和仿真效率3關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置在進(jìn)行仿真模型搭建中，需要保證仿真模型和實(shí)物參數(shù)盡可能的一致，才能提升仿真和測(cè)量的吻合度，下面是在此次仿測(cè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中需要注意的幾個(gè)參數(shù)：下面對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.1PCB疊層參數(shù)疊層銅箔厚度是影響仿真熱源的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了走線電阻、電流密度，焦耳熱分布，進(jìn)而會(huì)影響Icepak最

終仿真的溫度，因此必須保證仿真參數(shù)和實(shí)物參數(shù)嚴(yán)格匹配。為了測(cè)試PCB實(shí)際銅箔厚度，可以在單板不上電的情況下測(cè)試左圖中AB兩點(diǎn)的電阻，為了避免測(cè)試儀器引入的誤差，特意采用了兩種高精度的萬用表，最終取二者平均值，電阻測(cè)試結(jié)果右表。獲得電阻后,用R=ρ*(L/A)反算出銅箔厚度,其中ρ是銅的電阻率,L是銅箔的長(zhǎng)度，A是銅箔的橫截面積。測(cè)試次數(shù)萬用表實(shí)測(cè)A-B兩點(diǎn)電阻（mΩ)備注1745KeysightU1251B萬用表27493740VICIOR8155萬用表4740平均值743.5負(fù)載電流(A)A-B仿真電壓差(mV)A-B實(shí)測(cè)試電壓(mV)仿測(cè)差異占比0.5366368.80.76%17327360.54%2146414590.34%3223622300.27%3.1PCB疊層參數(shù)為了驗(yàn)證計(jì)算出銅箔厚度的正確性，需要將計(jì)算結(jié)果設(shè)置到軟件中，進(jìn)行仿真。若銅箔厚度準(zhǔn)確，左圖PCB實(shí)物上A-B兩點(diǎn)電壓差應(yīng)該和SIwave仿真的A-B兩點(diǎn)電壓差一樣。因此可以對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果，進(jìn)行驗(yàn)證。SIwave電壓仿真實(shí)際電壓測(cè)試3.2

銅箔電導(dǎo)率和板材熱傳導(dǎo)系數(shù)1、銅箔電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系決定銅阻隨溫度變化，影響發(fā)熱和變化，也對(duì)仿測(cè)結(jié)果起到了決定性的作用。經(jīng)過查找相關(guān)資料，在本次仿真中銅箔電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系采用的是如下的表達(dá)式：

其中：δ0為基準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率5.8e7；α

為溫度系數(shù)，取值為0.00393；T0為基準(zhǔn)溫度取值為252、板材熱傳導(dǎo)系數(shù)決定熱量向PCB內(nèi)部或背面?zhèn)鲗?dǎo)的能力，對(duì)此次仿測(cè)結(jié)合也至關(guān)重要。此次仿真中使用的板材為FR4板材，采用的材料手冊(cè)中的參數(shù)為0.448上圖展示了三種風(fēng)扇建模方式。第一種是最準(zhǔn)確的，需要獲取風(fēng)扇流速-壓力曲線，需要從風(fēng)扇廠家獲取或者實(shí)際測(cè)試，若不知風(fēng)扇型號(hào)獲取較難。第二、三種需要知道風(fēng)扇的尺寸和風(fēng)速。本次實(shí)驗(yàn)采用的第二種方式：使用風(fēng)速儀測(cè)量出風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)速，再測(cè)量風(fēng)扇的內(nèi)外直徑，最終設(shè)置到Icepak中進(jìn)行仿真建模，保證了模型和實(shí)物的匹配性3.3

風(fēng)扇尺寸和風(fēng)速風(fēng)扇尺寸和風(fēng)速影響對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而影響仿真熱對(duì)流效率，在Icepak中關(guān)系風(fēng)扇有三種建模方式，見下：3.4散熱器尺寸散熱器尺寸決定散熱效率，直接影響溫度分布和散熱能力。本文中Icepak散熱器的尺寸是依據(jù)實(shí)際散熱器的結(jié)構(gòu)建立的，左圖是散熱器尺寸信息，右圖是在Icepak中建立的散熱器模型。Icepak中搭建散熱器模型散熱器結(jié)構(gòu)尺寸信息3.5

網(wǎng)格尺寸Icepak中劃分的網(wǎng)格尺寸決定了仿真結(jié)果的精確程度和仿真效率。若網(wǎng)格劃分太密集會(huì)導(dǎo)致仿真效率太慢，甚至根本仿真不出結(jié)果，若網(wǎng)格劃分太稀疏會(huì)導(dǎo)致仿真精度不夠。本文中網(wǎng)格的劃分合適，見下圖：Top層網(wǎng)格劃分結(jié)果縱向劃分結(jié)果3.6

自動(dòng)化網(wǎng)格劃分為了避免網(wǎng)格設(shè)置錯(cuò)誤，我們借助PyAEDT開發(fā)了自動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格的腳本，可以根據(jù)PCB疊層和尺寸信息自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)格Python腳本部分截圖腳本自動(dòng)創(chuàng)建的網(wǎng)格仿測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比背景介紹總結(jié)Icepak熱仿真建模仿真中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置4.1測(cè)試設(shè)備經(jīng)過前面的仿真參數(shù)設(shè)置，基本上已經(jīng)保證了仿真模型和實(shí)際PCB的準(zhǔn)確性，下一步需要進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。下圖是本次測(cè)試設(shè)備：主要用到萬用表、電壓源、熱電偶、電子負(fù)載、紅外測(cè)溫儀。為了提升溫度測(cè)量的精確性，測(cè)試中采用了三個(gè)測(cè)溫設(shè)備：紅外熱成像儀器、熱電偶測(cè)溫儀、板載溫度傳感器。三個(gè)測(cè)溫設(shè)備互相驗(yàn)證，保證了測(cè)溫的準(zhǔn)確性。下圖是測(cè)試環(huán)境和設(shè)備：4.2紅外測(cè)溫儀校準(zhǔn)在本次測(cè)試開始階段，發(fā)現(xiàn)熱電偶和板載溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致，但是福祿克紅外測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果比前者高了20℃多，見下圖：熱電偶測(cè)量溫度72.6℃板載溫感測(cè)量溫度73.31℃

紅外測(cè)量溫度93.3℃說明紅外測(cè)溫儀溫度測(cè)試存在異常，需要查找原因，具體根因下4.2紅外測(cè)溫儀校準(zhǔn)經(jīng)查閱資料并對(duì)比實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)紅外熱測(cè)溫偏差根因是其默認(rèn)發(fā)射率設(shè)置的不合適（e=0.85）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際PCB表面(銅、錫層e=0.03~0.3)，因此粘貼3M電工膠帶（e=0.95）后，誤差顯著減低默認(rèn)e

=0.85

PCB表層貼電工膠帶，且更新e

=0.95調(diào)整此參數(shù)>4.3場(chǎng)景1：自然對(duì)流仿真和測(cè)試下圖是自然散熱情況下，

PCB表層福祿克紅外測(cè)溫儀測(cè)試和Icepak仿真結(jié)果對(duì)比：左圖福祿克測(cè)溫儀最高溫度為80℃,右圖Icepak仿真最高溫度為80.735℃,兩者相差0.735℃。紅外測(cè)溫儀測(cè)試PCB

Top層數(shù)據(jù)Icepak仿真PCB

Top層數(shù)據(jù)4.3場(chǎng)景1：自然對(duì)流仿真和測(cè)試下圖是PCB背面仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)。左圖福祿克測(cè)溫儀最高溫度為76.3℃,右圖Icepak仿真最高溫度為75.324℃

,兩者相差0.976℃。紅外測(cè)溫儀測(cè)試PCBBottom層數(shù)據(jù)Icepak仿真PCBBottom層數(shù)據(jù)4.4場(chǎng)景2：熱傳導(dǎo)仿真和測(cè)試左圖是PCB+散熱器的實(shí)物圖，右圖是Icepak中建立的PCB+散熱器模型，模擬熱傳導(dǎo)。PCB+散熱器實(shí)物圖Icepak仿真模型散熱器尺寸4.4場(chǎng)景2：熱傳導(dǎo)仿真和測(cè)試左圖福祿克測(cè)溫儀最高溫度為51.8℃,右圖Icepak仿真最高溫度為50.89℃,兩者相差0.91℃。紅外測(cè)溫儀測(cè)試PCB

Top層數(shù)據(jù)Icepak仿真PCB

Top層數(shù)據(jù)4.4場(chǎng)景2：熱傳導(dǎo)仿真和測(cè)試左圖福祿克測(cè)溫儀最高溫度為48.4℃,右圖Icepak仿真最高溫度為47.87℃,兩者相差0.53℃。紅外測(cè)溫儀測(cè)試PCBBottom層數(shù)據(jù)Icepak仿真PCBBottom層數(shù)據(jù)4.5場(chǎng)景3：風(fēng)冷強(qiáng)對(duì)流仿真和測(cè)試左圖是風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，中圖Icepak中建立的PCB+風(fēng)扇模型，模擬風(fēng)冷對(duì)流，右圖是PCB+風(fēng)扇的實(shí)物圖。Icepak風(fēng)扇+PCB仿真模型PCB+風(fēng)扇實(shí)物風(fēng)速儀4.5場(chǎng)景3：風(fēng)冷強(qiáng)對(duì)流仿真和測(cè)試左圖福祿克測(cè)溫儀最高溫度為48.3℃,右圖Icepak仿真最高溫度為51.15℃,兩者相差2.85℃。加入風(fēng)扇后仿真和測(cè)試差異較大，經(jīng)過分析可能的原因是風(fēng)扇模型建立的不夠準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致仿測(cè)差異較大,但是相差2.85℃,誤差也在可接受范圍內(nèi)。紅外測(cè)溫儀測(cè)試PCB

Top層數(shù)據(jù)Icepak仿真PCB

Top層數(shù)據(jù)序號(hào)模型名稱PCB表層/底層仿真數(shù)據(jù)(℃)測(cè)試數(shù)據(jù)(℃)仿測(cè)差異(℃)1純PCB表層80.735800.735底層75.32476.30.9762PCB+散熱器表層50.8951.80.91底層47.8748.40.533PCB+風(fēng)扇表層51.1548.32.854.6

仿真測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)下表對(duì)上述3種方案仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，更為直觀。見下：從上述數(shù)據(jù)中可以看到Icepak分別對(duì)自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)路徑、空氣對(duì)流三種情況下，仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果較為相近，基本上仿真數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。4.7實(shí)際項(xiàng)目仿真數(shù)據(jù)下圖是實(shí)際項(xiàng)目前期評(píng)估時(shí)焦耳熱的仿真數(shù)據(jù)：仿測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比背景介紹總結(jié)Icepak熱仿真建模仿真中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置5

總結(jié)為了全面驗(yàn)證Icepak仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，本文分別構(gòu)建了三種不同散熱場(chǎng)景的測(cè)試模型：純PCB

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