Ansys2025全球仿真大会：面向服务器产品电热联合仿测方法研究

面向服务器产品电热联合仿测方法研究田少勃中兴通讯

RCH四部©2025ANSYS,Inc.仿测数据对比背景介绍总结Icepak热仿真建模仿真中关键参数设置目录近年来电子系统性能不断提升，导致芯片功耗迅猛增长，如5G通信、智算服务器等场景，传依赖热设计方式已难以满足当对热管理与效率的双重要求，必须在电气设计阶段进行电-热协同设计流程，否则可能存在以下风险：u过度设计，导致成本上升：例如铜箔过厚、风扇过大、散热器冗余、导热材料选型过优；u关键器件热点未提起识别：如电源MOS

、VRM等周边器件温升过高但未被提前识别；u系统热耦合误判，导致整机热失效：多芯片间存在复杂热交互，单芯片温度仿真不再适用为了验证Icepak在电热耦合仿真的准确性，本文在测试板上进行仿测试验证流程。研究内容包括：u在Icepak中构建电热耦合模型，涵盖自然对流、热传导、强制对流三类典型热环境；u设计与制作测试PCB板，并搭建测温平台，将仿真与实测数据进行对比，评估模型在不同热环境下的偏差与一致性；u基于比对结果优化热建模策略，识别关键参数对仿真精度的影响，提升后续仿真可信度背景介绍ZTE

自研芯片ZTE5G设备ZTE服务器仿测数据对比背景介绍总结Icepak热仿真建模仿真中关键参数设置方案类型描述优缺点分析最终是否采用电热加热膜使用PI加热膜模拟芯片热源热功率可控，易于调节功率，但和PCB贴合表面可能不严，导致仿测差异✘实际芯片模型使用实际芯片发热作为热源热源接近真实，但是芯片工作在不同的状态，功率不稳定造成热源不稳定，且功耗控制困难✘电热丝PCB上粘电热丝模拟芯片发热热源稳定，但是热量集中，贴合性差✘陶瓷加热片贴在PCB表面模拟芯片热源温度高，厚度大，贴合性差✘PCB实际走线发热使用表层走线通电发热，模拟芯片热源结构简单且可控，最贴近实际芯片发热，热源稳定，可以用电子负责控制电流，易于调节功率上表种对5种设计方案分别进行了优缺点分析，为了提升仿测一致性，选择第五种方案：在PCB上进布线，以走线电阻产生热量模拟芯片发热，和实际芯片相比，此方案热源稳定，功率可通过电子负载可控，排除了芯片功耗不稳定和热模型的不准确性，能更好进行仿测验证。2.1热建模方案论证本次仿真初期进行了5种方案的论证，见下表：2.2热建模方案论证——PCB走线热源模型详解实际测试的PCB见下：测试PCB实物图片模型名称模拟场景验证目的纯PCB自然对流（无风）验证Icepak对自然对流的仿真的准确性PCB+散热器热源加装散热片验证Icepak对热传导路径仿真的准确性PCB+风扇加风扇强制对流验证Icepak对空气对流仿真的准确性三种场景验证三种目的，见下：u第一种模型仅包含了发热原件和PCB本体，是最基础的自然对流，验证Icepak对最基础的自然对流的仿真；u第二种模型在发热区域加装了铝制散热器，验证Icepak对热传导路径仿真的准确性；u第三种模型加入风扇，实现强制风冷，模拟空气对流对热源散热的影响，验证Icepak空气对流仿真的准确性;2.3

仿真场景为了系统性验证Icepak的热仿真的准确性，我们构建了三种散热结构，三种结构见下：仿测数据对比背景介绍总结Icepak热仿真建模仿真中关键参数设置序号参数名称对仿真的影响1叠层铜箔厚度决定走线电阻、电流密度，焦耳热大小2铜箔电导率和温度的关系决定铜阻随温度变化，影响发热和变化3板材热传导系数决定热量向PCB内部或背面传导的能力4风扇尺寸和风速影响对流换热系数，进而影响仿真热对流效率5散热器尺寸决定散热效率，直接影响温度分布和散热能力6网格尺寸Icepak中网格尺寸直接决定了仿真结果的精确程度和仿真效率3关键参数设置在进行仿真模型搭建中，需要保证仿真模型和实物参数尽可能的一致，才能提升仿真和测量的吻合度，下面是在此次仿测验证实验中需要注意的几个参数：下面对各个参数进行详细的介绍。3.1PCB叠层参数叠层铜箔厚度是影响仿真热源的关键参数，它决定了走线电阻、电流密度，焦耳热分布，进而会影响Icepak最

终仿真的温度，因此必须保证仿真参数和实物参数严格匹配。为了测试PCB实际铜箔厚度，可以在单板不上电的情况下测试左图中AB两点的电阻，为了避免测试仪器引入的误差，特意采用了两种高精度的万用表，最终取二者平均值，电阻测试结果右表。获得电阻后,用R=ρ*(L/A)反算出铜箔厚度,其中ρ是铜的电阻率,L是铜箔的长度，A是铜箔的横截面积。测试次数万用表实测A-B两点电阻（mΩ)备注1745KeysightU1251B万用表27493740VICIOR8155万用表4740平均值743.5负载电流(A)A-B仿真电压差(mV)A-B实测试电压(mV)仿测差异占比0.5366368.80.76%17327360.54%2146414590.34%3223622300.27%3.1PCB叠层参数为了验证计算出铜箔厚度的正确性，需要将计算结果设置到软件中，进行仿真。若铜箔厚度准确，左图PCB实物上A-B两点电压差应该和SIwave仿真的A-B两点电压差一样。因此可以对比实测结果和仿真结果，进行验证。SIwave电压仿真实际电压测试3.2

铜箔电导率和板材热传导系数1、铜箔电导率和温度的关系决定铜阻随温度变化，影响发热和变化，也对仿测结果起到了决定性的作用。经过查找相关资料，在本次仿真中铜箔电导率和温度的关系采用的是如下的表达式：

其中：δ0为基准温度下的电导率5.8e7；α

为温度系数，取值为0.00393；T0为基准温度取值为252、板材热传导系数决定热量向PCB内部或背面传导的能力，对此次仿测结合也至关重要。此次仿真中使用的板材为FR4板材，采用的材料手册中的参数为0.448上图展示了三种风扇建模方式。第一种是最准确的，需要获取风扇流速-压力曲线，需要从风扇厂家获取或者实际测试，若不知风扇型号获取较难。第二、三种需要知道风扇的尺寸和风速。本次实验采用的第二种方式：使用风速仪测量出风口的实际风速，再测量风扇的内外直径，最终设置到Icepak中进行仿真建模，保证了模型和实物的匹配性3.3

风扇尺寸和风速风扇尺寸和风速影响对流换热系数，进而影响仿真热对流效率，在Icepak中关系风扇有三种建模方式，见下：3.4散热器尺寸散热器尺寸决定散热效率，直接影响温度分布和散热能力。本文中Icepak散热器的尺寸是依据实际散热器的结构建立的，左图是散热器尺寸信息，右图是在Icepak中建立的散热器模型。Icepak中搭建散热器模型散热器结构尺寸信息3.5

网格尺寸Icepak中划分的网格尺寸决定了仿真结果的精确程度和仿真效率。若网格划分太密集会导致仿真效率太慢，甚至根本仿真不出结果，若网格划分太稀疏会导致仿真精度不够。本文中网格的划分合适，见下图：Top层网格划分结果纵向划分结果3.6

自动化网格划分为了避免网格设置错误，我们借助PyAEDT开发了自动设置网格的脚本，可以根据PCB叠层和尺寸信息自动创建网格Python脚本部分截图脚本自动创建的网格仿测数据对比背景介绍总结Icepak热仿真建模仿真中关键参数设置4.1测试设备经过前面的仿真参数设置，基本上已经保证了仿真模型和实际PCB的准确性，下一步需要进行实测验证。下图是本次测试设备：主要用到万用表、电压源、热电偶、电子负载、红外测温仪。为了提升温度测量的精确性，测试中采用了三个测温设备：红外热成像仪器、热电偶测温仪、板载温度传感器。三个测温设备互相验证，保证了测温的准确性。下图是测试环境和设备：4.2红外测温仪校准在本次测试开始阶段，发现热电偶和板载温度传感器测量数据基本一致，但是福禄克红外测温仪测量结果比前者高了20℃多，见下图：热电偶测量温度72.6℃板载温感测量温度73.31℃

红外测量温度93.3℃说明红外测温仪温度测试存在异常，需要查找原因，具体根因下4.2红外测温仪校准经查阅资料并对比实测，发现红外热测温偏差根因是其默认发射率设置的不合适（e=0.85）远远高于实际PCB表面(铜、锡层e=0.03~0.3)，因此粘贴3M电工胶带（e=0.95）后，误差显著减低默认e

=0.85

PCB表层贴电工胶带，且更新e

=0.95调整此参数>4.3场景1：自然对流仿真和测试下图是自然散热情况下，

PCB表层福禄克红外测温仪测试和Icepak仿真结果对比：左图福禄克测温仪最高温度为80℃,右图Icepak仿真最高温度为80.735℃,两者相差0.735℃。红外测温仪测试PCB

Top层数据Icepak仿真PCB

Top层数据4.3场景1：自然对流仿真和测试下图是PCB背面仿真和测试数据。左图福禄克测温仪最高温度为76.3℃,右图Icepak仿真最高温度为75.324℃

,两者相差0.976℃。红外测温仪测试PCBBottom层数据Icepak仿真PCBBottom层数据4.4场景2：热传导仿真和测试左图是PCB+散热器的实物图，右图是Icepak中建立的PCB+散热器模型，模拟热传导。PCB+散热器实物图Icepak仿真模型散热器尺寸4.4场景2：热传导仿真和测试左图福禄克测温仪最高温度为51.8℃,右图Icepak仿真最高温度为50.89℃,两者相差0.91℃。红外测温仪测试PCB

Top层数据Icepak仿真PCB

Top层数据4.4场景2：热传导仿真和测试左图福禄克测温仪最高温度为48.4℃,右图Icepak仿真最高温度为47.87℃,两者相差0.53℃。红外测温仪测试PCBBottom层数据Icepak仿真PCBBottom层数据4.5场景3：风冷强对流仿真和测试左图是风速仪测量风速，中图Icepak中建立的PCB+风扇模型，模拟风冷对流，右图是PCB+风扇的实物图。Icepak风扇+PCB仿真模型PCB+风扇实物风速仪4.5场景3：风冷强对流仿真和测试左图福禄克测温仪最高温度为48.3℃,右图Icepak仿真最高温度为51.15℃,两者相差2.85℃。加入风扇后仿真和测试差异较大，经过分析可能的原因是风扇模型建立的不够准确，从而导致仿测差异较大,但是相差2.85℃,误差也在可接受范围内。红外测温仪测试PCB

Top层数据Icepak仿真PCB

Top层数据序号模型名称PCB表层/底层仿真数据(℃)测试数据(℃)仿测差异(℃)1纯PCB表层80.735800.735底层75.32476.30.9762PCB+散热器表层50.8951.80.91底层47.8748.40.533PCB+风扇表层51.1548.32.854.6

仿真测数据总结下表对上述3种方案仿真结果和测试结果进行了总结，更为直观。见下：从上述数据中可以看到Icepak分别对自然对流、热传导路径、空气对流三种情况下，仿真结果和实际测试结果较为相近，基本上仿真数据可以指导实际设计。4.7实际项目仿真数据下图是实际项目前期评估时焦耳热的仿真数据：仿测数据对比背景介绍总结Icepak热仿真建模仿真中关键参数设置5

总结为了全面验证Icepak仿真结果的准确性与实用性，本文分别构建了三种不同散热场景的测试模型：纯PCB

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