Direct ECAD Workflow for PCB

 

서론

PCB의 ECAD파일은 Icepak에서는 사용할 수 있지만, Fluent에서는 사용할 수 없었다. 2022 R1부터 전기/전자 장비 PCB를 ECAD 정보로 Detail하게 설정 가능하나, 반드시 Icepak을 사용해 필요한 정보들을 추출해야 했었다. 이러한 불편함을 2023R1에서 크게 개선하였고, 지금부터 Fluent 2023R1에 새롭게 추가된 Direct ECAD에 대해 설명하겠다.

 

Direct ECAD 설정을 위한 준비

Ansys Icepak은 ODB++, IPC2581, Ansys EDB등과 같은 다양한 ECAD를 사용할 수 있지만, Fluent에서 사용할 수 있는 ECAD 종류는 제한적이다. Fluent에서는 ECAD File Type으로 Ansys EDB만 사용할 수 있다. Ansys EDB는 Ansys Electronics Solver 중 하나인 Siwave에서 만들 수 있다.

Fluent에서 ECAD를 직접 Import 하기 위해서는 몇 가지 준비 작업이 필요하다. Fluent에서 ECAD는 Icepak과 달리 완벽하게 읽기전용(Read Only)이다. 즉 Fluent에서는 PCB의 두께조차 변경할 수 없다. 그만큼 Fluent에서 ECAD를 Import 하기 전 철저한 준비작업이 필요하다.

 

 

 [그림 1] PCB Solder Mask

 

  

[그림 2] ECAD 구성 정보

 

1. ECAD 불필요 영역 삭제

[그림 1]과 같이 PCB 상부와 하부는 먼지/습기 침투 방지, Trace 분리 방지 등을 이유로 Solder Mask가 코팅되어 있다. 당연히 PCB 설계 프로그램에서 [그림 2]와 같이 Solder Mask 부분을 같이 설계하고 반영한다. [그림 2]에서 빨간색으로 표시된 top_layer와 bottom_layer가 PCB의 마지막 Metal Layer이고, top_layer와 bottom_layer를 덮고 있는 top_solder와 bottom_solder가 Solder Mask 영역이다.

Fluent에서 ECAD를 직접 Import 하려면 Solder Mask 부분인 top_solder와 bottom_solder를 반드시 삭제해야 한다. Solder Mask 영역이 존재하는 ECAD를 Fluent에서 Import하면, 에러가 발생한다.

 

  

[그림 3] PCB ECAD 두께

 

2. ECAD 두께와 MCAD 두께 일치

ECAD의 Solder Mask 영역을 삭제하고, 다음으로 PCB ECAD 두께를 수정해야 한다. Icepak에서는 ECAD의 두께를 수정할 수 있지만, 앞에서 언급한 바와 같이 Fluent는 두께조차 수정할 수 없는 읽기 전용이다. 따라서 반드시 ECAD의 두께와 MCAD에서 모델링한 PCB의 두께를 일치시켜야 한다.

[그림 3]은 Solder Mask를 삭제한 ECAD 구조를 나타내고 있고, 하단에 Total height를 확인할 수 있다. 그림의 ECAD 두께는 1.58mm이다.

해당 PCB를 MCAD로 모델링하면 MCAD에서 PCB의 두께는 1.6mm이다. MCAD의 PCB 두께를 ECAD와 동일하게 1.58mm로 수정하거나, ECAD의 두께를 MCAD와 동일하게 1.6mm로 수정해야 한다. 

 

3. ECAD Material

읽기전용으로만 ECAD를 Import 할 수 있는 Fluent는 PCB의 Trace/Dielectric Material에 제한이 있다.

Fluent에서 ECAD를 적용할 때 ECAD에 저장된 정보들이 적용되는 방법은 Anzine V61에 자세히 설명하였다. Fluent 2022R1에서 ECAD 적용은 Icepak에서 생성된 파일을 Fluent에서 Import 하는 방식이지만, Fluent 2023R1 Direct ECAD Import는 Icepak에서 생성된 파일을 사용하지 않고, Ansys EDB를 Fluent에서 바로 적용하는 방식이다.

따라서 ECAD 정보인 Metal Fraction 계산에 필요한 Material이 명확히 정해져 있다. Metal은 Cu-Pure 또는 Copper만 사용 가능하고, Dielectric은 FR-4 또는 FR4_epoxy만 사용 가능하다. 다른 Material을 사용할 경우 Fluent에서 ECAD에 저장된 Material을 인식할 수 없다는 에러가 발생한다.

[그림 4]는 Siwave에서 Fluent ECAD로 사용할 수 있는 Material을 나타내고 있다. 간혹 EBD_COPPER_1, EBD_FR4_1과 유사한 형식으로 표기된 것 역시 사용할 수 없다.

Fluent에서 ECAD Import에 추가로 PCB Powermap까지 Import해야 한다면, Siwave에서 모든 변경 사항을 수정 후 DC IR 해석을 진행해야 한다.

 

  

[그림 4] ECAD Material

 

  

[그림 5] ECAD Export

 

4. Export 및 ECAD 파일 위치

ECAD 수정이 완료되면 Fluent에서 사용할 수 있는 파일로 Export한다. Fluent에서 사용할 수 있는 ECAD는 Ansys EDB 파일이다. Siwave에서 Export → Ansys EDB….를 선택하면 Export 할 수 있다.

이때 파일 Type은 EDB Directory (*.aedb)로 Export가 되며, 해당 파일을 확인하면 저장할 때 입력한 이름으로 된 *.aedb 폴더로 저장된다. 해당 폴더를 들어가면 edb.def 파일이 저장되어 있고, edb.def 파일이 Fluent에서 Import 할 때 사용되는 파일이다.

Fluent에서 ECAD를 Import 할 때 *.aedb폴더의 위치가 매우 중요하다. Siwave에서 Export된 *.aedb폴더는 반드시 Fluent Working Directory에 위치해야 한다. edb.def 파일을 사용한다고 edb.def 파일만 Fluent Working Directory에 저장하면, 에러가 발생하게 된다. 반드시 edb.def가 포함된 *.aedb폴더를 Fluent Working Directory에 저장해야 한다.

 

Fluent Direct ECAD Import

Siwave에서 ECAD 수정 및 Export가 완료되면, Fluent에서 ECAD를 Direct Import할 준비가 완료된 것이다. [그림 6]과 같이 Fluent Working Directory에 Fluent Mesh와 Ansys EDB 파일을 저장한다.

 

  

[그림 6] Fluent Working Directory

 

Fluent를 실행하고 Mesh를 불러온 후에 Models의 Energy를 활성화한다. Energy가 비활성화되어 있더라도 ECAD를 Import 하면 자동으로 활성화한다는 메시지가 나타난다.

Fluent에서 Mesh를 불러오면 [그림 7]과 같이 Physics Tab에서 PCB Model을 선택한다.

 

  

 

[그림 7] Physics → PCB Model…

 

실행된 PCB Model Panel에서 ECAD를 Import 할 수 있다. PCB Model Panel에서 ECAD File을 선택하고, non-pcb-zone에서 ECAD를 Import하려는 PCB Cell Zone을 선택한다. Input Files의 Load File…을 선택하여 Siwave에서 Export한 Ansys EDB 파일을 불러오고 ‘>>’를 클릭해 PCB Zone으로 이동시키면 Fluent에서 직접 ECAD를 Import 할 수 있다.

 

 

 

 [그림 8] Fluent PCB Model Panel

 

[그림 8]에서 Board Configuration File 옵션은 Ansys Icepak에서 ECAD를 Import하고 생성된 파일을 불러올 때 사용하는 옵션이다. 만약 Board Configuration File 사용방법이 궁금하면 Anzine V61에 정리한 내용을 참고하기 바란다.

ECAD에 문제가 없다면, Fluent TUI에 [그림 9]와 같이 표기된다.

 

 

 

 [그림 9] Fluent TUI

 

ECAD의 정보를 이용하여 Materials에 subst라는 새로운 Material이 자동으로 생성되고, PCB Model Panel에서 선택한 PCB Cell Zone에 자동으로 subst Material이 적용된다. 여기에서 주의 깊게 확인할 부분은 바로 Thermal Conductivity이다. ECAD를 Import하면 PCB 평면 방향 Thermal Conductivity를 ECAD의 Metal Fraction을 이용하여 Trace의 Metal (Cu) 조밀도에 따라 Detail하게 설정된다. 이 Trace Metal 조밀도에 따른 평면방향 Thermal Conductivity를 계산하기 위해 UDF를 사용하여 계산한다. 당연히 ECAD만 Import 하면 모두 자동으로 설정된다.

 

 

Fluent Direct ECAD PCB Type

Icepak에서는 PCB에 ECAD Data를 불러오면 [그림 11]과 같이 두가지 Type의 PCB를 선택할 수 있다.

 

Icepak에서는 PCB 두께 방향을 Lumped 또는 Detail 로 설정할 수 있다. 하지만 Fluent Direct ECAD Import는 [그림 11(a)]와 같이 두께 방향으로 Lumped 설정만 가능하다. [그림 11(b)]와 같이 두께 방향도 각 Metal Layer 위치까지 Detail하게 설정하는 방법은 Anzine V61에 정리한 Icepak에서 생성한 ECAD Mesh를 Board Configuration File을 사용하여 Import 해야 한다.

비록 두께방향은 Lumped로 설정되지만 평면 방향은 [그림 12]와 같이 ECAD의 Metal Fraction을 적용한 위치에 따른 Detail 설정이 적용된다.

 

 

 

[그림 12] ECAD Metal Fraction

 

맺음말

 

Icepak의 전유물이었던 PCB ECAD Import 기능이 Ansys 2022R1부터 Fluent에서도 ECAD를 Import 할 수 있도록 지속적으로 업데이트되고 있다. 전기/전자 장비의 주요 부품인 PCB의 온도 증가가 대두되고, 이 온도를 낮추기 위해 많은 Cooling System이 개발되고 있으나, Icepak의 태생적인 해석 범위 문제로 적용할 수 없었던 Cooling System을 이제 Fluent를 이용하여 더욱 폭넓고, 편리하게 적용할 수 있게 되었다.

보다 자세한 설정 방법 및 Siwave DCIR Drop 해석으로 얻을 수 있는 Powermap 적용 방법은 아래 배너를 통해 확인할 수 있다. **프리미엄 회원 전용