触手可得系统级电磁仿真

本文原刊登于Ansys Blog：《System-Level Electromagnetic Simulation: It’s Within Your Reach》

作者：Aaron Edwards | Ansys应用工程总监

编辑整理：褚正浩 | Ansys中国高级应用工程师

数字革命给工程团队带来了巨大压力，因为现在需要他们迅速开发出新的高性能印刷电路板（PCB）和芯片封装。然而，随着数据速率持续呈指数级增长，设计尺寸不断变小、输出越来越大，不连续性和多余信号耦合导致信号性能下降的概率增加。因此，尽管面临重重市场压力，但设计验证绝不可松懈。

采用Ansys HFSS，只需34小时就能生成并求解这个复杂PCB封装的3D模型

通常验证端到端的系统级性能会涉及一系列组件级电磁（EM）仿真。例如，工程师开展仿真以确认单个球栅阵列（BGA）封装（从焊接凸点到焊球）的信号完整性，或确认从集成电路（IC）封装到走线，再到连接器封装的信号完整性。

在完成系统各个部分的仿真和验证后，再将其装配成一个物理原型。但是这种级连方法存在一些问题。首先，该方法非常耗时，通常会拖延产品发布日期；其次，由部件集成和其他系统级问题引起的信号不连续性，只有在原型阶段才能发现，从而导致由于返工所造成的高昂成本和不必要的延时。

在过去，这种顺序方法对半导体制造商而言，是产品研发的一个重大障碍。然而，过时的仿真方法、计算资源、处理速度和工程方法使工程师只能使用这种级连的组件级方法。

好消息是，Ansys HFSS仿真软件已能够支持PCB和芯片封装的快速系统级虚拟原型设计。与当今弹性云计算资源、更快的处理核心、快速数据传输速度等创新技术相结合，HFSS正在加快电磁（EM）仿真的速度。

然而一些客户暂时还不了解HFSS中的系统级仿真功能，但半导体行业的领导者已利用HFSS将复杂产品的电磁仿真运行速度提高10-12倍。对于现有的Ansys 2020 R2客户来说，要实现这种速度提升其实无需进行额外的软件投资，工程团队只需利用HFSS 30多年所积淀下来的最佳实践，在优化的技术环境下充分使用最新HFSS解决方案的完整功能就可以了。 

例如，假设有一个PCB设计，涉及包括安装在SODIMM板上的8个双层触发器BGA封装，并插入安装在主板上的连接器。总共要仿真64个网络，定义128个端口。

Ansys HFSS提供的系统级功能将所有封装组件整合在统一互联的3D模型中，从而取代了速度缓慢、过时的级连电磁仿真方法

如果采用过去的组件级级连方法，验证这种复杂的产品设计及其所有集成点和组件，将花费数周时间。但是，如果以系统级的最佳实践方式应用HFSS，仅需34小时就能生成并求解这种大型PCB模块的完整3D模型。

这是目前电子企业需要实现的速度和性能水平，而且对于在使用Ansys 2020 R2的工程团队来说，这很容易实现。利用HFSS中的系统级功能，企业可以开发出更复杂的设计，进行各种尝试与创新。与以往的验证方法相比，这还可以大幅节省研发时间与成本。

HFSS率先在无风险的仿真环境下，实现了所有PCB和芯片封装组件的虚拟装配与验证。这款易于使用的解决方案可以直接读取电气计算机辅助设计（ECAD）布局，包括电路板、封装、连接器和单列直插式封装（SiP），然后对它们进行虚拟装配。此外，HFSS还能导入机械结构（MCAD）元素，包括其边界条件、端口激励和材料属性。

工程团队可以在虚拟设计空间（包括MCAD和ECAD）中，快速求解全耦合系统，在返工成本最低的早期阶段就把控系统级性能。这样，HFSS不仅能简化系统装配和物理原型设计流程，还有助于避免后期的制造问题、产品召回和质保索赔。

因为HFSS与其他Ansys解决方案紧密相连，这样完成求解的模型可以无缝传递到其他Ansys求解器，以开展进一步分析。热和结构求解器有助于确保最终产品封装的热效应得到管理，并针对现实环境条件进行设计。这种紧密集成让产品研发团队能够充分发挥Ansys 50多年来在多物理场领域所沉淀的工程仿真领先技术。

用户还可以利用Ansys提供的多种资源来了解并运用HFSS的系统级功能，其中包括各种免费的点播式 Ansys创新课程（Ansys Innovation Courses）以及Ansys大学（ALH）所提供的针对性电磁仿真培训（Ansys大学全天候提供三种不同的HFSS 3D Layout在线课程）。此外，Ansys客户还可以直接联系其相应的客户团队或随时 访问在线支持，获取技术支持。