芯片PCB板级热仿真怎么做？从小米环形冷泵散热系统说起

上海安世亚太 2022年1月18日浏览：1952 收藏：6

导读

作为一个业余的数码产品爱好者，前不久关注到小米发布了它自研的环形冷泵散热系统，充满着好奇看了下这个“面向未来的散热技术”。它本质上也是相变液冷技术，但克服了VC液冷的一些缺陷，这对搭载骁龙最新8系处理器的旗舰手机都是一个大福音，因为这个新技术提高了传统VC的传热能力，这也就进一步降低了了SoC到手机的导热热阻。

本文从小米公司未来散热技术说起，与热设计工程师、电子工程师和机械结构热工程师聊聊Ansys Icepak PCB板级热仿真那些事。

一、环形冷泵概述

环形冷泵由蒸发器、冷凝器、补偿腔以及蒸气和液体管道组成，蒸发器处于手机主板热源区域，当处理器等热源高负载运行时，冷液蒸发为汽态，通过自然膨胀驱动气流进入蒸气管道。

当蒸汽流入冷凝器后，凝结成液，通过毛细力吸入液体管道进而回到补偿腔为蒸发器进行冷液补给，如此循环，无需外加动力。

虽然相变原理与VC液冷相同，但由于结构不同，实际效果大不一样。常规VC液冷由于无法汽液分离，所以向冷凝器移动的热蒸汽和向蒸发器回流的冷液体相向运动，相互阻碍，在高负载情况下容易出现液体回流困难。

同时，环形冷泵由于特殊蒸汽管道设计，气道阻力大幅降低30%，蒸汽流通更流畅，从而可以实现热量定向远距离冷端输送，使最大传热功率提升100%。

此技术也是利用相变原理，融入了单向管道设计，称之为特斯拉阀，其实看到第一眼很容易会想的是难道特斯拉汽车的什么新技术吗？查了资料才知道，是科学家尼古拉特斯拉发明的，它巧妙在不需要任何开关就可以控制单向导通。小米这次应用此技术就保证了液体能够到达SoC的发热部位，而不让吸热蒸发的蒸汽反向流动。

通过这个技术小米手机mix4魔改版实测游戏降低了表温5℃，对于手机行业表面温度是很重要的，而对于汽车电子方面保证芯片的可靠性更为重要，特别是温度方面。车规级的芯片相对消费级，从认证标准以及测试讲更为严苛，而且车内环境温度高，更是需要考虑各个芯片是否符合工作预期。

二、ADAS域控制器散热设计

自动驾驶这两年发展迅速，配套硬件产品的功耗也在不断进步，从开始单一功能的ECU，需要多个ECU才能实现ADAS的功能，到集成多种功能的域控制器，特别是承载ADAS的域控制器，ADAS域 L2/L2+的设备现在也主要采用自然散热的方式，产品顶部采用较长的散热肋片，底部根据功耗的不同有产品也会有散热肋片的设置。

ADAS域由于SoC计算量的不一样，功耗差异明显，特别是L4，体积限制的，甚至需要水冷才能满足要求。现在自动驾驶AI芯片主要供应商有Mobileye、英伟达、华为和地平线等等，主流乘用车还是基于L2+域控，基本采用自然散热方式。

那完整的散热设计流程是怎样的呢？

1、首先需要对冷却方式进行评估，前期概念设计时硬件工程师给出总功耗，根据结构工程师给出的边界，可以计算出热流密度或体积功率密度，然后结果评估出采用何种散热方式。接下来热设计或硬件工程师，评估选用的主要芯片是否采用额外的散热措施，具体根据工作温度和实际功耗，以及Rja来推测结温Tj，是否有超温风险。一般来说SoC以及热敏感原件如DDR，需要额外散热措施，通过与散热外壳接触。

2、对于PCB元器件的布置，尽量让主要大功耗元器件分散，热敏感器件尽量远离或者靠边，元器件的摆放位置可以通过热仿真找到最佳的位置，来保证最低的温度分布。之后硬件工程师根据建议进行器件的初步摆放，结构工程师对主要芯片添加散热凸台。

3、当初步结构敲定后，就可以对整个“BOX“进行系统性散热仿真，因为我们关注的是芯片的结温，所以对于器件仿真还是可以用双热阻处理，并且PCB导入后期的详细布线信息。对于散热凸台和器件之间，需要考虑添加界面材料，根据缝隙的保留大小来设置界面材料的厚度，不要超过1mm。然后对于顶部主要起散热作用的散热齿，需要根据实际边界来设计它的齿间距，齿厚、基板厚度和齿高参数，以求得最佳结构方案。

4、产品与环境的热交换除了对流换热，辐射在自然对流中的占比也是比较多的，毕竟产品与环境可能存在着几十摄氏度的温差。对于散热外壳的表面处理，尽量提高其表面的发射率，比如阳极氧化或者喷漆等等，在结合成本控制的同时尽量来提高产品的散热效果。

样件制作完成后，也需要做多轮的热测试验证，验证表面处理、界面材料、功耗、环温对芯片结温的实际影响，将仿真与实验数据做对比，review参数设置，并多做总结，形成一个闭环的设计思路，不断提高热设计水平。

三、Icepak板级热仿真实操

热设计当今常用的散热软件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解异形的结构，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有较好的精度，对于电子散热仿真是一款非常专业的软件。在汽车电子散热仿真来说，由于车厂其他结构和电磁的仿真多使用ANSYS的其他软件，为了统一习惯，也为了处理异形的CAD结构，icepak用于散热仿真较为常见。但从易用性来说，Flotherm有一定的优势，它需要更多繁琐注意项，以及操作流程。

不光是汽车行业，这几年芯片计算能力需求的飞速发展和对可靠性要求的日益提升，越来越需要高速PCB板以及大功率PCB板，这对前期的设计提出更高的要求，需要仿真加以验证，甚至是需要热电耦合仿真或者结构热耦合仿真。对于PCB板级热仿真，Icepak可以导入精确的布线，并通过metal fraction计算局部的导热系数，这样更好的得到一个贴合实际的结果。它还提供了各种热阻模型，常用的双热阻模型，以及DELPHI模型，以及详细模型。除此之外还包含各种宏命令，方便对于特定问题的求解，它也可与ANSYS workbench中其他模块数据相关联。

做板级热仿真，首先第一步便是参数的收集。要知道所处的工作温度（环温），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相应的位置，是否有风或者其他外加散热措施。除此之外，需要器件手册的相关内容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前两个热阻参数是双热阻模型所必须的，最大结温是为了验证结果是否超温。ECAD类型的PCB是ANSYS Icepak 中四种类型 PCB 中最详细和准确的，它的走线和过孔的实际几何形状并未与 CFD 模型的其余部分一起网格化，它是通过从导入的迹线和过孔来计算各向异性的导热率，在每个 CFD 网格单元中对迹线和过孔的影响进行建模，每个金属层和绝缘层都是单独建模的，从而保持高度的准确性。