隨著設(shè)計(jì)規(guī)格的日益小型化，所有封裝級(jí)的功率密度都會(huì)顯著增加。散熱對(duì)于電子設(shè)備的正常工作和長(zhǎng)期穩(wěn)定性而言至關(guān)重要，而元器件溫度是否保持在規(guī)格范圍內(nèi)已成為確定設(shè)計(jì)的可接受性的通用標(biāo)準(zhǔn)。散熱解決方案直接增加了產(chǎn)品的重量、體積和成本，卻不會(huì)帶來(lái)任何功能上的優(yōu)勢(shì)。它們提供的是可靠性。如果沒(méi)有散熱解決方案，許多電子產(chǎn)品在幾分鐘內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障。泄漏電流和隨之而來(lái)的漏泄功耗隨著芯片級(jí)特征尺寸的減小而增大。由于泄漏與溫度相關(guān)，因此熱設(shè)計(jì)顯得更加重要。
   工程師應(yīng)如何開發(fā)具有復(fù)雜和／或高功耗電子設(shè)備的產(chǎn)品，在滿足其他設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，確保產(chǎn)品的熱性能呢？為解答這一問(wèn)題，本文將為您介紹電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中應(yīng)該了解的十大事實(shí)。

一、涉及眾多工程學(xué)科

電子散熱，即熱設(shè)計(jì)，是一門小眾學(xué)科。二十年前，它是由熱專家團(tuán)隊(duì)（通常是具有很強(qiáng)的熱傳遞技術(shù)背景的機(jī)械工程師）集中開展的一項(xiàng)活動(dòng)。當(dāng)時(shí)，電子產(chǎn)品的機(jī)械部分，無(wú)論其中包括的是何種散熱解決方案，都是與電子設(shè)備分開設(shè)計(jì)的。當(dāng)時(shí)的開發(fā)節(jié)奏要慢得多，人們更加著眼于在完成設(shè)計(jì)后通過(guò)物理樣機(jī)研究來(lái)糾正問(wèn)題。如今，根據(jù)公司和行業(yè)領(lǐng)域，基本的熱設(shè)計(jì)任務(wù)可由個(gè)體工程師在產(chǎn)品創(chuàng)建過(guò)程中完成。

由于時(shí)間、成本和資源等方面的約束，“包辦一切”的工程師變得越來(lái)越常見(jiàn)。與其同行專家相比，這些“包辦一切”的設(shè)計(jì)人員和工程師需要更簡(jiǎn)單和更快捷的熱設(shè)計(jì)工具。

二、存在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境

一些組織認(rèn)為熱設(shè)計(jì)是產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)的一部分。這種觀點(diǎn)在汽車等傳統(tǒng)行業(yè)中極為常見(jiàn)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品在電子方面在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)速度一直很緩慢，這一現(xiàn)象直到近些年為止才有所改變。在這種情況下，受命開展熱設(shè)計(jì)的人員可能是汽車、機(jī)械或生產(chǎn)工程師，他們?cè)诮M織的 PLM 環(huán)境內(nèi)使用 Dassault Systèmes? CATIA? V5、SolidWorks?、PTC Creo? 或 Siemens? NX等高端 MCAD 工具集開展工作。最適合他們的莫過(guò)于能夠直接完全嵌入到他們所熟悉的 MCAD 系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)解決方案。Mentor 的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析解決方案 FloEFD? 內(nèi)置于上文列出的所有 MCAD 系統(tǒng)中，并與 Autodesk? Inventor? 和 Siemens SolidEdge? 緊密集成，受到了電子散熱和 LED 照明應(yīng)用模塊的廣泛支持。

另一方面，一些組織將熱設(shè)計(jì)視為 PCB 設(shè)計(jì)流程的一部分。例如，當(dāng)產(chǎn)品必須裝入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架時(shí)，受命開展熱設(shè)計(jì)的往往是采用 PADS? 和 HyperLynx? 等PCB 設(shè)計(jì)工具的電子工程師。

設(shè)法開展系統(tǒng)級(jí)熱分析的工程師可能是各種同時(shí)具備機(jī)械和電氣背景的人員，他們一般不熟悉 MCAD 驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。對(duì)他們而言，能夠與其 PCB 設(shè)計(jì)流程無(wú)縫集成的解決方案才是最佳選擇。PADS FloTHERM? XT 旨在為此類工程師和環(huán)境提供基于 CFD 的電子散熱軟件。

三、所開發(fā)產(chǎn)品的類型和產(chǎn)量非常重要

我們已經(jīng)了解了工程師和設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)于熱設(shè)計(jì)的實(shí)施可能產(chǎn)生的影響。所開發(fā)的產(chǎn)品類型及其產(chǎn)量對(duì)此也有一定的影響。

在一些使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 來(lái)研究產(chǎn)品性能的傳統(tǒng)行業(yè)（例如航空航天、核能和汽車等）中，設(shè)計(jì)周期相對(duì)較長(zhǎng)，而且安全性和穩(wěn)定性的優(yōu)先級(jí)高于成本和性能。受這些驅(qū)動(dòng)因素的影響，這些行業(yè)中的熱電子設(shè)計(jì)側(cè)重于通過(guò)將元器件溫度降至一定的安全裕量以下來(lái)延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。設(shè)計(jì)人員需要投入大量工作在冷卻系統(tǒng)中建立冗余。這樣的話，即使某個(gè)風(fēng)扇出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能正常工作且符合規(guī)范要求，另外還能在系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)更換故障風(fēng)扇。

然而，在高量產(chǎn)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，成本和性能才是關(guān)鍵因素。從概念設(shè)計(jì)到投產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)間被壓縮到僅僅只有幾個(gè)月的時(shí)間。最大限度地降低產(chǎn)品成本是設(shè)計(jì)活動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵部分。這就需要充分研究設(shè)計(jì)空間，確保選擇成本效益最高的散熱解決方案。需要考慮的因素包括封裝選擇、PCB Layout、電路板結(jié)構(gòu)以及外殼設(shè)計(jì)（包括風(fēng)扇尺寸、位置和通風(fēng)口位置）的影響。這種情況下亟需對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行快速分析，因而催生了眾多解決方案，利用不同的 CFD 技術(shù)更快地提供初步結(jié)果以及大幅縮短后續(xù)設(shè)計(jì)迭代的周轉(zhuǎn)時(shí)間。

四、適應(yīng)技術(shù)演變

電子產(chǎn)品的小型化導(dǎo)致產(chǎn)品的幾何形狀越來(lái)越凌亂和復(fù)雜，產(chǎn)品在電子與機(jī)械方面的集成也日益緊密，這在智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)應(yīng)用中最為典型。

產(chǎn)品小型化的結(jié)果之一是流動(dòng)空間減小，而這往往限制了對(duì)流散熱的范圍。伴隨著湍流強(qiáng)度受制于槽壁生成的剪切力（控制湍流的生成和衰減），這些狹小的空間會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)發(fā)生層流化。這實(shí)際上降低了捕獲湍流影響的數(shù)值需求。隨著時(shí)間的推移，空氣內(nèi)的溫升對(duì)于環(huán)境以上 IC 封裝內(nèi)的結(jié)點(diǎn)溫升的貢獻(xiàn)逐步減小。

相反，小型化對(duì)于幾何精度、材料和表面特性捕獲、表面間輻射以及某些應(yīng)用中的太陽(yáng)能輻射的要求越來(lái)越高。在后期設(shè)計(jì)中，必須將電源和接地平面以及直流走線內(nèi)不斷提高的電流密度作為電路板內(nèi)的熱源加以考慮。所有這些變化都對(duì)熱模型與基于機(jī)械 CAD 和 EDA 的工具集的集成以及它們所描述的幾何形狀提出了更高的要求。更小的特征尺寸和芯片封裝尺寸（在規(guī)模上與電路板上的信號(hào)和電源輸送銅特征相似）要求將其表示為相似的較高詳細(xì)級(jí)別。

五、與設(shè)計(jì)工具集相集成

機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)學(xué)科的結(jié)合同樣受產(chǎn)品小型化的驅(qū)動(dòng)，它要求將一個(gè)設(shè)計(jì)流程中做出的更改反向標(biāo)注到另一個(gè)流程中。PCB 設(shè)計(jì)采用的傳統(tǒng)二維方法經(jīng)過(guò)大幅增強(qiáng)，可在 PADS 配置內(nèi)提供三維視圖、庫(kù)和 DRC模塊。

利用 PADS FloTHERM XT 及其內(nèi)置的 MCAD 內(nèi)核，可以從之前提及的所有主流 CAD 平臺(tái)導(dǎo)入原始 CAD 幾何形狀。在 PADS FloTHERM XT 內(nèi)修改過(guò)的元件可導(dǎo)出為相同的原始 CAD 格式，以便將其重新導(dǎo)入回 MCAD環(huán)境，確保保留元件的歷史記錄數(shù)據(jù)。您可以編輯電路板外形，轉(zhuǎn)換元器件，以任意角度旋轉(zhuǎn)元器件或調(diào)整其大小。此外還支持 IDF 導(dǎo)入。

與 EDA 和 MCAD 系統(tǒng)的強(qiáng)大集成現(xiàn)在已成為在設(shè)計(jì)工作流程中高效地開展熱設(shè)計(jì)的前提條件，但僅僅依靠其自身功能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

六、對(duì)散熱技術(shù)的支持

小型化還會(huì)影響散熱技術(shù)的選擇。幾年前，由于筆記本電腦內(nèi)的空間有限，離心式風(fēng)扇取代了臺(tái)式機(jī)中使用的傳統(tǒng)軸流式風(fēng)扇。此外，還采用熱管將熱量從居于中央位置的 CPU 傳遞到離心式風(fēng)扇下游熱管的鰭片部分，并由離心式風(fēng)扇直接排放到周邊環(huán)境。散熱器和導(dǎo)熱墊也在一些空間有限的設(shè)備中使用，合成射流也是如此，尤其在 LED 照明應(yīng)用中。

創(chuàng)新的散熱器和風(fēng)扇組件設(shè)計(jì)層出不窮，液冷的應(yīng)用日益增多。PADS FloTHERM XT 可輕松處理這些散熱解決方案，因而在采用具有復(fù)雜幾何形狀的散熱解決方案的電子系統(tǒng)中，成為首選的設(shè)計(jì)工具。風(fēng)扇、散熱器、熱管等散熱解決方案通常是現(xiàn)成的元器件，既不是 EDA 設(shè)計(jì)工具附帶的，也不是在公司的 MCAD系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的，但要進(jìn)行精確的熱分析必須包含這類元器件。

七、處理長(zhǎng)度規(guī)模的范圍

電子系統(tǒng)的獨(dú)有特征之一是其包含廣泛的長(zhǎng)度規(guī)模范圍，涵蓋了從芯片表面的納米級(jí)到數(shù)據(jù)中心機(jī)架的米級(jí)尺度。這對(duì) CAE 工具，尤其是采用貼體網(wǎng)格的 CAE 工具構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。

將所有元素直接包含在模型中的做法既不現(xiàn)實(shí)，也不可取。形成這一挑戰(zhàn)的部分原因在于，在仿真對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量貢獻(xiàn)最大的環(huán)節(jié)，大量信息還是未知的。例如，在設(shè)計(jì)后期確定元器件布局之后才對(duì) PCB 進(jìn)行布線，然而，不合格的元器件布局可能給熱性能帶來(lái)災(zāi)難性的影響。

一種常見(jiàn)的做法是將簡(jiǎn)化的行為模型用于芯片封裝、PCB、風(fēng)扇、散熱器等元器件中。PADS FloTHERM XT 使用 SmartParts? 來(lái)加快這些元器件以及其他常見(jiàn)元器件的建模速度，并隨著設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的出現(xiàn)不斷優(yōu)化模型。

利用直觀的 SmartParts，您可以在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建簡(jiǎn)單的概念模型，與直接取自MCAD 的機(jī)械元件配合，輕松地創(chuàng)建自己的 CAD 幾何形狀，以及使用詳細(xì)的電子組件。SmartParts 還能加快設(shè)計(jì)空間的探索，尤其是在早期設(shè)計(jì)階段。

在設(shè)計(jì)后期，通常需要包含產(chǎn)品多個(gè)方面的大量幾何細(xì)節(jié)，以獲得高保真的仿真結(jié)果；例如，詳細(xì)的PCB 走線層、PCB 堆棧內(nèi)的電源和接地平面、熱關(guān)鍵性元器件的詳細(xì)模型，以及所用的任何散熱器的詳細(xì)模型等。

與設(shè)計(jì)工具集的緊密集成意味著可以將后期設(shè)計(jì)中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細(xì)幾何形狀與較早時(shí)在熱分析軟件內(nèi)構(gòu)建的幾何形狀進(jìn)行交換，從而支持概念研究和早期設(shè)計(jì)研究。在優(yōu)化EDA和MCAD設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以無(wú)縫地應(yīng)用更新。

通過(guò)生成網(wǎng)格來(lái)分析此類細(xì)節(jié)的熱傳遞是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程。為提高此過(guò)程的效率，每個(gè)幾何形狀將作為一個(gè)控制體傳遞給 CFD 求解器，并使用網(wǎng)格內(nèi)的幾何形狀知識(shí)來(lái)直接構(gòu)建控制體，而無(wú)需進(jìn)一步劃分網(wǎng)格。利用這種獨(dú)特的方法，PADS FloTHERM XT 可以在單獨(dú)的網(wǎng)格中使用實(shí)體對(duì)實(shí)體和／或?qū)嶓w對(duì)流體邊界捕獲多個(gè)固體幾何形狀片段，從而捕獲復(fù)合結(jié)構(gòu)和多個(gè)流動(dòng)通道（例如散熱器鰭片之間的流動(dòng)通道）。

八、訪問(wèn)和復(fù)用預(yù)先存在的數(shù)據(jù)

確保熱模型保持最新狀態(tài)并更新設(shè)計(jì)流程中的更改，對(duì)于做出及時(shí)的決策、避免設(shè)計(jì)返工和縮短上市時(shí)間而言至關(guān)重要。

除幾何形狀之外，熱仿真還需要其他信息，例如關(guān)于產(chǎn)品所用材料（可能使用多種材料）的熱數(shù)據(jù)，以及元器件的功耗等。因此，必須從功率估算工具導(dǎo)入功率數(shù)據(jù)；此過(guò)程通常采用 CSV 文件形式，并使用元件位號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)熱模型中的元器件。當(dāng)功率估算發(fā)生變化時(shí)，需要自動(dòng)更新這些數(shù)字。

在最精細(xì)的細(xì)節(jié)級(jí)別，詳細(xì)封裝模型可能要求一組芯片級(jí)功率映射，以定義不同應(yīng)用中的芯片上的功率分布。其中每個(gè)模型都包含多個(gè)可交換的單獨(dú)熱源，用以評(píng)估產(chǎn)品在瞬態(tài)仿真中包含的這些不同狀態(tài)下的熱性能。這種根據(jù)“使用案例”或?qū)嶋H功耗狀態(tài)，而不是使用穩(wěn)態(tài)熱設(shè)計(jì)功率來(lái)開展設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，使得電氣工程師與熱工程師之間的工作流程優(yōu)化變得更加重要。

基于需要實(shí)施的“邊界條件”的數(shù)量，電子散熱模型都是獨(dú)一無(wú)二的。除幾何形狀以外，邊界條件還包括材料數(shù)據(jù)、熱屬性、表面屬性（包括粗糙度）、網(wǎng)格要求以及（以使用風(fēng)扇的情況為例）性能數(shù)據(jù)和內(nèi)置的行為模型。由于能夠在單個(gè)元件中存儲(chǔ)所有信息，因此極大地縮短了構(gòu)建模型所需的時(shí)間。

除了提供方法輕松開發(fā)新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型之外，電子散熱工具還需要處理設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的元件，例如底板。新電路板應(yīng)該能夠輕松地插入現(xiàn)有底板。借助高效的庫(kù)可以大幅增強(qiáng)此過(guò)程。

PADS FloTHERM XT 支持使用元件以及內(nèi)置的拖放功能，將所有相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起；其中，拖放功能可支持導(dǎo)入和導(dǎo)出整個(gè)模型、組件和單獨(dú)的元件，包括其相關(guān)的材料屬性及其他數(shù)據(jù)。

九、處理不確定性

設(shè)計(jì)中已知的一項(xiàng)與材料屬性和功耗相關(guān)的挑戰(zhàn)是，關(guān)于模型中所用值的不確定性。這可以延伸到設(shè)計(jì)的幾何方面，例如 PCB 中的銅皮層、膠接層和其他界面層的實(shí)際厚度等。

熱設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是確定模型中存在哪些對(duì)關(guān)鍵元器件溫度影響最大的不確定性。我們之前討論過(guò)使用數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)，以及在進(jìn)行設(shè)計(jì)空間的確定性探索的情況下執(zhí)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低成本和增強(qiáng)可靠性。可采取相同的自動(dòng)方法來(lái)確定熱設(shè)計(jì)在面對(duì)制造期間可能出現(xiàn)的隨機(jī)變化時(shí)的穩(wěn)定性。

完成上述評(píng)估后，即可指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員將精力放在通過(guò)設(shè)計(jì)更改以及獲取更精確的仿真數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)上。當(dāng)前最先進(jìn)的方法是使用測(cè)量值作為仿真過(guò)程的基礎(chǔ)。這樣，客戶可以大幅減少完成熱設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，降低熱設(shè)計(jì)工作的成本，以及實(shí)現(xiàn)能夠預(yù)測(cè)高于環(huán)境的溫升的模型保真度。這完全顛覆了在完成設(shè)計(jì)后使用物理樣機(jī)研究來(lái)糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的傳統(tǒng)做法。

十、壓縮設(shè)計(jì)時(shí)間和裕量

與基于貼體網(wǎng)格的解決方案相比，可以將模型構(gòu)建到結(jié)果分析的總體過(guò)程至少壓縮 50% 以上。其中最大的壓縮部分是，無(wú)需清理或簡(jiǎn)化 CAD 幾何形狀就能生成網(wǎng)格，以及在網(wǎng)格劃分期間無(wú)需花費(fèi)時(shí)間來(lái)減少貼體網(wǎng)格固有的可影響收斂和結(jié)果質(zhì)量的網(wǎng)格變形。然而，好處還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。利用 PADS FloTHERM XT，可以從 MCAD 或 EDA 設(shè)計(jì)流程來(lái)更新模型，從而保留之前用于處理原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的設(shè)置，而且模型在幾分鐘內(nèi)就能自動(dòng)完成重新劃分網(wǎng)格，做好求解準(zhǔn)備。

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