提早优化组件布局能够减少重新设计以及成本增大的潜在风险,本文总结了一些器件布局对散热的不同影响,对提前优化组件布局以实现最佳散热效果有一定帮助

如今,电路工程师们在电路板设计的最早阶段必须针对功耗密度考虑散热方案以及相应的机械问题。布局研究表明,原先仅仅针对布线可行性和信号完整性风险进行的板级设计评估已经随着体积庞大且带有诸多限制的散热方案的引入而变得日益复杂。

尽管人们可以根据所需的产量和设计草图采用一些经验性法则,但是这些法则通常相互矛盾,无法为用户进行合理的设计评估提供足够多的准确的权衡信息。通过在制造设计前优化电路组件的布局,我们可以大大降低可能发生的重新设计的风险与成本。

第二处理器

为了分析组件布局方案的选择过程从而优化散热性能,我们不妨采用一个单板计算机的例子,我们在板子上增加一个CPU作为第二处理器,以升级原有的cPCI底板。cPCI的外观尺寸限制了电路板的面积为166mm×230mm,垂直方向上的尺寸限制为标准的0.8英寸板间距。当前的平台已经通过测试,具有200 lfm的卡槽流速（slot flow rate）。

图1 通过对板级结构进行细化,可以看出器件的相对位置对于互连的重要性

图1给出的电路板功能模块图表明了各个组件的相互关系以及高层次的互连需求。对相关组件布局的性能约束的激励因素是互连线的数量和传输速度,进一步受限于输出引脚的物理定义以及完成布线所需的最少电路板层数。

如图1所示,最关键的线网是连接CPU、MCH、ICH和存储器的互连线。在FBD中完成的板上主要组件的一种布局规划表明,各个组件布局的相对位置是非常重要的。成本问题限制了只能在四层板上完成布线设计,因此从某些引脚到目标组件之间必然需要可见的直接互连线。

边缘策略

一种常用的散热策略就是将功耗较高的组件放在电路板的边缘,从而使其暴露在温度最低的输入气流之中。这里,我们采用这一策略,将两个CPU放在距离输入气流最近的地方。
这一策略的不利之处在于：所有位于CPU下风向的组件都会受到影响。这种影响是双重的：下风向的组件——例如DIMM、ICH和MCH——都暴露在温度较高的空气之中,同时它们周围的空气流速也较低,从而进一步升高了它们的温度。

如果将散热器放在CPU顶部,那么这种影响将会进一步加剧。除了布线需要,布局规划还将受到尺寸较大和位置固定的组件（例如连接器）的约束。

仿真

一旦建立了板级的功能描述和可行的物理布局规划,我们必须对其散热性能进行评估。在这个例子中,通过仿真我们发现了一种撞击作用（knock-on effect）,左边CPU的散热对流经DIMM上方的气流进行了预热。消除预热作用有三种可能的方法：

1. 降低CPU时钟频率,从而降低功耗,减少预热;
2. 在DIMM上增加散热器;
3. 对组件布局进行重新排列,减少预热作用。

方案1是行不通的,因为升级的目的就是为了提高CPU速度。方案2也不可行,因为如果需要定制DIMM散热器,相关厂商的定价是每个5.5美元,这一成本是无法接受的。

由于在开始进行具体的布线工作之前可以对组件的布局规划进行评估,因此我们可以尝试第三种方案——改变组件的布局——不会影响主要的布线工作。通过在总体设计阶段评估组件布局的方案,我们可以分析各种备选方案的优劣,从而降低设计风险。

图2 将热耗高的组件放在电路板边缘,将会造成周围气流的预热,升高下风向器件的温度。分析各种布局方案中的散热冲突,有助于找到最佳的布局规划。

图2分析和评价了三种新的布局方案。对于图中所给出的各种可能方案,我们用色彩着重标出了那些将会超过产品规范中限定的散热标准的组件。

对散热情况进行初步分析之后,我们就可以看到组件布局对散热效果的影响。最终在这个例子中,通过稍微移动CPU的位置（如图2所示）就可以得到最佳的解决方案。

经验总结

这里所得到的第一条经验是,器件的散热能力在很大程度上取决于周围空气的流速和温度。厂商提供的散热性能指标只是在风洞中对单个散热器件进行测量而得到的。

当把一个散热器件直接放在另一个器件下风向时,性能将会大大降低。判断散热器件性能的唯一可行方法就是利用计算流体动力学,在封闭条件下对3D气流和热传输情况进行仿真。

第二条经验是,将高功耗的组件移到电路板的边缘既有好处也有坏处。好处就是它们能够接触到大流量的气流;坏处就是边缘或拐角的位置使得器件向电路板的热传输分别减少50％或75％,从而降低了电路板作为器件散热器的能力。

如果在开始进行具体的布线工作之前找出存在的各种散热问题,那么就可能实现预期的性能,而不会带来额外的设计或制造成本。在产量较大的应用中（例如本文中的例子）,即使去掉一个成本很低的散热方案（例如一个散热器）,也会在材料、制造和质量认证方面节省大量的开支。