當復雜系統中沒有問題的解析解決方案時，多物理場仿真可以為您提供一個完整的數值解決方案，用于描述系統多個方面的行為。正確的3D解算器可讓您基于多個物理領域之間的相互作用來模擬PCB的行為。這種類型的模擬對于不適合基于SPICE的模擬的復雜系統中的行為建模非常有用。

多物理場是什么？

多物理場仿真涉及在單個仿真中對系統的不同物理方面之間的交互進行建模。許多系統很復雜，尤其是電子系統，并且不同的物理量（例如電流和溫度）以復雜的方式關聯。除了單獨的物理模擬之外，工程師還需要考慮物理不同方面之間的相互作用，這需要多物理場模擬方法。這樣可以更全面地了解系統的行為。

在任何用于模擬PCB的多物理場模型中，所面臨的挑戰是要準確地對系統中采購項的行為進行建模，無論這些項是機械負載，耗散熱量的電子組件還是系統中的熱源和熱沉。由于多物理場軟件可以使用3D場求解器模擬來求解系統中的微分方程的耦合集，因此另一個挑戰是在空間和時間上創建足夠精細的系統網格。在空間和時間上精細劃分網格對于確保結果準確至關重要，盡管過于精細的劃分網格將需要更長的計算時間。平衡計算精度和計算時間是多物理場仿真中的主要挑戰。

在PCB中，根據電源完整性和信號完整性分析來量化電氣可靠性，其目標是最大程度地減小電源波動，串擾和對EMI的敏感性。評估熱可靠性需要進行熱仿真，以評估電路板和組件的溫度。這使您可以確定電路板是否在適當的溫度范圍內運行。最后，機械可靠性與高溫下的熱膨脹有關，您需要評估通孔，焊點以及電路板本身的熱應力和機械應力。

動態/瞬態行為與穩態行為

可以在時域中執行多物理場仿真，盡管這些仿真需要大量的計算能力，內存和計算時間。除非您在計算期間利用并行化，否則時域中的小規模3D模擬可能需要幾天才能完成。

時域多物理場模擬可以大致分為兩種：瞬態模擬和動態模擬。每種類型的仿真都與SPICE封裝中的相應電路仿真相似。當系統狀態或系統中的源術語突然更改（例如，組件打開或關閉）時，系統需要一些時間來適應此更改。

可以為RC電路進行模擬：如果施加到電容器的電壓突然從0變為某個正電壓，電荷隨時間累積在電容器上，則不會立即變為Q = CV。當系統中的采購條款在時間上不連續時，可以在時域的多物理場仿真中檢查此行為。

瞬態行為表明您已隨著時間的推移將系統轉換為穩態。一旦了解了瞬態行為，就可以為開始檢查系統穩態行為所需的仿真時間提供基準。在PCB中，一旦系統進入穩定狀態，系統的行為就會在時間上保持恒定，您只需要檢查整個板上溫度，機械應力和電壓/電流的空間分布即可。

PCB設計中使用多物理場仿真來驗證設計選擇，檢查電氣行為，識別可能的熱管理問題，甚至確保機械可靠性。目的是在設計中可能產生電氣，熱或機械缺陷之前，先確定它們是否會在板上造成重大問題。這些可能包括某些電路中的串擾或非線性電效應，識別板上的熱點或抗機械沖擊。

一個例子：熱循環

電路板在運行期間的熱可靠性和機械可靠性以多種方式關聯。有源組件會在電路板上產生大量的熱量，而FR4基板的低導熱系數會導致熱量積聚，從而導致溫度顯著升高。電路板在加熱時會膨脹，從而在整個電路板上的走線，過孔和其他電子元件上產生應力。這是由于整個板上不同材料的體積膨脹系數之間的不匹配引起的。

多層板上的通孔在熱循環過程中容易斷裂。如果電路板以緩慢的速度加熱到高溫并保持在該溫度下，則由于靜電應力而對導體造成機械損壞的危險較小。在熱循環過程中會出現危險，在這種情況下應力會導致通孔針筒疲勞。由于應力集中在這些位置，焊盤內通孔上的對接也是真正的故障點。

在電路板工作時熱循環下對PCB進行的這種多物理場模擬可讓您分析電路板中的溫度上升與電氣操作期間的機械應力之間的聯系。您將能夠在各個時間點查看整個系統的機械應力，電磁場，電壓/電流分布和溫度。

更進一步：頻域仿真

當使用包含純諧波源的系統時，將多物理場仿真中的控制方程式轉換到頻域通常非常有用。當您錯過系統的瞬態行為時，您將獲得有關系統如何響應不同頻率源的完整視圖。