什么是多物理场及其与PCB设计的关系?

关键的外卖

• 介绍多物理场及其在PCB设计中的仿真应用。

• 时间依赖性系统响应和为什么频域提供了更好的解决方案。

• 多物理场模型的一些例子。

想象一下这样的场景:一个年轻的研究生正在设计一种光敏材料的图案阵列，作为一种新型的光传感器。当需要检查系统对不同角度入射光的反应时，年轻的研究生该怎么做?他们可能会考虑解析解决方案，但数值多物理场方法可能是最好的选择。如果读者自言自语“什么是多物理场?”……不要担心!虽然它听起来像一个科幻术语，但多物理场指的是一个模型，它结合了物理的各个分支，以形成一个更有凝聚力的解决方案。

尽管分析解决方案很有帮助，并且封装了一些基本关系，但它们远不是最终的全部。通常，这些解决方案需要在实际情况下进行改进，因为它们对实际现象进行了广泛的理想化。相反，仿真软件可以以足够的精度和更快的计算速度严格模拟高阶问题，使它们成为复杂物理系统的明确选择。正确的软件求解器允许您基于多个物理领域之间的相互作用来模拟PCB的行为。这种类型的模拟对于在复杂系统中建模行为是非常有用的，这些系统不适合基于spice的模拟。

让我们开始讨论什么是多物理场。

到底什么是多物理场?

多物理场仿真涉及在单个仿真中对系统的不同物理方面之间的相互作用进行建模。在现实世界中，多物理场只是日常现象重叠的状态:

• 电磁解释电荷的运动，材料的永久或暂时磁化，以及相关场的相互作用。

• 热力学有关热或热流的产生、辐射和吸收，以及由此引起的材料性质的变化。

• 静力学包括在牛顿第二定律下的刚体，以及其中的任何力和变形。动力学用于非零加速度，例如在跌落试验中遇到的振动或冲击。

• 其他考虑因素包括化学(腐蚀性、反应性)和湿度(吸湿材料对周围水的吸收)等等。主动模型将倾向于关注前三点，但这些条件可能取决于电路板的现场使用情况。

许多系统是复杂的，特别是电子系统，不同的物理量(如电流和温度)以模糊的方式联系在一起。除了单独的物理模拟，工程师还需要考虑物理不同方面之间的相互作用，这需要多物理场模拟方法。在生产和使用寿命期间，设计人员和制造商必须了解这些看似不同的机制如何运作以优化性能。

多物理系统是对物理功能和约束的更现实的捕捉。

任何用于模拟PCB的多物理场模型的挑战在于准确地模拟系统中源项的行为，无论它们是机械负载、散热的电子元件，还是系统中的热源和散热器。由于多物理场软件可以使用3D场求解器模拟来解决系统中耦合的微分方程组，因此另一个挑战涉及在空间和时间上创建足够精细的系统网格。虽然过于精细的网格将需要更长的计算时间，但空间和时间上的精细网格对于确保结果的准确性至关重要。平衡计算精度和计算时间是多物理场模拟的主要挑战。

在pcb中，电气可靠性被量化为电源完整性和信号完整性分析以减少功率波动、串扰和对电磁干扰的敏感性。评估热可靠性需要热模拟来评估电路板和组件的温度。这样可以判断单板是否在合适的温度范围内工作。最后，机械可靠性与高温下的热膨胀有关，您需要评估过孔，焊点和板本身的热应力和机械应力。

动态/瞬态行为vs.稳态行为

可以在时域中执行多物理场模拟，尽管这些模拟需要大量的计算能力、内存和计算时间。除非在计算过程中利用并行化，否则时间域中的小规模3D模拟可能需要数天才能完成。

时域多物理场仿真大致可分为瞬态仿真和动态仿真两类。每种类型的仿真都类似于SPICE封装中相应的电路仿真。当系统的状态或系统中的源项突然发生变化时，例如，一个组件打开或关闭，系统需要一些时间来适应这种变化。

输出从一个有限元模拟方法

我们可以用模拟来类比RC电路:如果施加在电容器上的电压突然从0变为某个正电压，随着时间的推移，电荷在电容器上积累-它不会立即改变为Q = CV的值。当系统中的源项在时间上不连续时，可以在时域的多物理场模拟中检查这种行为。

瞬态行为表明，随着时间的推移，系统会过渡到稳定状态。一旦理解了瞬态行为，这就为开始检查系统的稳态行为所需的模拟时间提供了一个基准。在PCB中，一旦系统进入稳态，系统的行为在时间上是恒定的，您只需要检查整个电路板的温度，机械应力和电压/电流的空间分布。

PCB设计中的多物理场仿真

多物理场仿真用于PCB设计，以验证设计选择，检查电气行为，识别可能的热管理出现问题，甚至保证机械的可靠性。目标是在电路板产生重大问题之前识别设计中可能存在的电气、热或机械缺陷。这些可能包括某些电路中的串扰或非线性电效应，电路板上热点的识别，或对机械冲击的抵抗。

例如:热循环

电路板在运行过程中的热可靠性和机械可靠性在几个方面相关。有源元件在电路板中产生大量的热量，而电路板的导热系数低FR4基板使热量积聚，导致温度显著升高。电路板在受热时会膨胀，在整个电路板的走线、过孔和其他电子元件上产生压力。这是由于整个板上不同材料的体积膨胀系数不匹配造成的。

多层板的过孔在热循环过程中容易断裂。如果单板以较慢的速度加热到高温并保持在该温度，则静电对导体造成机械损伤的危险就会降低。危险出现在热循环过程中，应力会导致沿通孔管的疲劳。垫内过孔的对接接头也是真正的失效点，因为应力集中在这些位置。

这种类型的PCB在板运行时的热循环下的多物理场模拟允许您分析板中的温升与电气操作期间的机械应力之间的联系。您将能够查看机械应力，电磁场，电压/电流分布，以及整个系统在不同时间点的温度。

你不需要带多物理场模拟的红外摄像机

更进一步:频域模拟

当处理涉及纯谐波源的系统时，将多物理场模拟中的控制方程转换到频域通常是非常有用的。虽然您错过了系统的瞬态行为，但您获得了系统如何响应不同频率源的完整视图。

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