隨著設計規(guī)格的日益小型化，所有封裝級的功率密度都會顯著增加。散熱對于電子設備的正常工作和長期穩(wěn)定性而言至關重要，而元器件溫度是否保持在規(guī)格范圍內(nèi)已成為確定設計的可接受性的通用標準。散熱解決方案直接增加了產(chǎn)品的重量、體積和成本，卻不會帶來任何功能上的優(yōu)勢。它們提供的是可靠性。如果沒有散熱解決方案，許多電子產(chǎn)品在幾分鐘內(nèi)就會出現(xiàn)故障。泄漏電流和隨之而來的漏泄功耗隨著芯片級特征尺寸的減小而增大。由于泄漏與溫度相關，因此熱設計顯得更加重要。
工程師應如何開發(fā)具有復雜和／或高功耗電子設備的產(chǎn)品，在滿足其他設計標準的同時，確保產(chǎn)品的熱性能呢？為解答這一問題，本文將為您介紹電子產(chǎn)品熱設計中應該了解的十大事實。
一、涉及眾多工程學科
電子散熱，即熱設計，是一門小眾學科。二十年前，它是由熱專家團隊（通常是具有很強的熱傳遞技術背景的機械工程師）集中開展的一項活動。當時，電子產(chǎn)品的機械部分，無論其中包括的是何種散熱解決方案，都是與電子設備分開設計的。當時的開發(fā)節(jié)奏要慢得多，人們更加著眼于在完成設計后通過物理樣機研究來糾正問題。如今，根據(jù)公司和行業(yè)領域，基本的熱設計任務可由個體工程師在產(chǎn)品創(chuàng)建過程中完成。
由于時間、成本和資源等方面的約束，“包辦一切”的工程師變得越來越常見。與其同行專家相比，這些“包辦一切”的設計人員和工程師需要更簡單和更快捷的熱設計工具。
二、存在不同的設計環(huán)境
一些組織認為熱設計是產(chǎn)品機械設計的一部分。這種觀點在汽車等傳統(tǒng)行業(yè)中極為常見，從而導致產(chǎn)品在電子方面在很長的一段時間內(nèi)增長速度一直很緩慢，這一現(xiàn)象直到近些年為止才有所改變。在這種情況下，受命開展熱設計的人員可能是汽車、機械或生產(chǎn)工程師，他們在組織的 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。最適合他們的莫過于能夠直接完全嵌入到他們所熟悉的 MCAD 系統(tǒng)的熱設計解決方案。Mentor 的三維計算流體動力學(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 照明應用模塊的廣泛支持。
另一方面，一些組織將熱設計視為 PCB 設計流程的一部分。例如，當產(chǎn)品必須裝入標準機架時，受命開展熱設計的往往是采用 PADS? 和 HyperLynx? 等PCB 設計工具的電子工程師。
設法開展系統(tǒng)級熱分析的工程師可能是各種同時具備機械和電氣背景的人員，他們一般不熟悉 MCAD 驅動的系統(tǒng)。對他們而言，能夠與其 PCB 設計流程無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)了解了工程師和設計環(huán)境對于熱設計的實施可能產(chǎn)生的影響。所開發(fā)的產(chǎn)品類型及其產(chǎn)量對此也有一定的影響。
在一些使用計算流體動力學 (CFD) 來研究產(chǎn)品性能的傳統(tǒng)行業(yè)（例如航空航天、核能和汽車等）中，設計周期相對較長，而且安全性和穩(wěn)定性的優(yōu)先級高于成本和性能。受這些驅動因素的影響，這些行業(yè)中的熱電子設計側重于通過將元器件溫度降至一定的安全裕量以下來延長產(chǎn)品壽命。設計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，即使某個風扇出現(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)正常運行的同時更換故障風扇。
然而，在高量產(chǎn)的消費類電子產(chǎn)品領域，成本和性能才是關鍵因素。從概念設計到投產(chǎn)，設計時間被壓縮到僅僅只有幾個月的時間。最大限度地降低產(chǎn)品成本是設計活動的一個關鍵部分。這就需要充分研究設計空間，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、電路板結構以及外殼設計（包括風扇尺寸、位置和通風口位置）的影響。這種情況下亟需對設計空間進行快速分析，因而催生了眾多解決方案，利用不同的 CFD 技術更快地提供初步結果以及大幅縮短后續(xù)設計迭代的周轉時間。
四、適應技術演變
電子產(chǎn)品的小型化導致產(chǎn)品的幾何形狀越來越凌亂和復雜，產(chǎn)品在電子與機械方面的集成也日益緊密，這在智能手機和平板電腦等移動應用中最為典型。
產(chǎn)品小型化的結果之一是流動空間減小，而這往往限制了對流散熱的范圍。伴隨著湍流強度受制于槽壁生成的剪切力（控制湍流的生成和衰減），這些狹小的空間會導致流動發(fā)生層流化。這實際上降低了捕獲湍流影響的數(shù)值需求。隨著時間的推移，空氣內(nèi)的溫升對于環(huán)境以上 IC 封裝內(nèi)的結點溫升的貢獻逐步減小。
相反，小型化對于幾何精度、材料和表面特性捕獲、表面間輻射以及某些應用中的太陽能輻射的要求越來越高。在后期設計中，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。所有這些變化都對熱模型與基于機械 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和電源輸送銅特征相似）要求將其表示為相似的較高詳細級別。
五、與設計工具集相集成
機械和電氣設計學科的結合同樣受產(chǎn)品小型化的驅動，它要求將一個設計流程中做出的更改反向標注到另一個流程中。PCB 設計采用的傳統(tǒng)二維方法經(jīng)過大幅增強，可在 PADS 配置內(nèi)提供三維視圖、庫和 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 平臺導入原始 CAD 幾何形狀。在 PADS FloTHERM XT 內(nèi)修改過的元件可導出為相同的原始 CAD 格式，以便將其重新導入回 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，轉換元器件，以任意角度旋轉元器件或調(diào)整其大小。此外還支持 IDF 導入。
與 EDA 和 MCAD 系統(tǒng)的強大集成現(xiàn)在已成為在設計工作流程中高效地開展熱設計的前提條件，但僅僅依靠其自身功能還遠遠不夠。
六、對散熱技術的支持
小型化還會影響散熱技術的選擇。幾年前，由于筆記本電腦內(nèi)的空間有限，離心式風扇取代了臺式機中使用的傳統(tǒng)軸流式風扇。此外，還采用熱管將熱量從居于中央位置的 CPU 傳遞到離心式風扇下游熱管的鰭片部分，并由離心式風扇直接排放到周邊環(huán)境。散熱器和導熱墊也在一些空間有限的設備中使用，合成射流也是如此，尤其在 LED 照明應用中。
創(chuàng)新的散熱器和風扇組件設計層出不窮，液冷的應用日益增多。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，成為首選的設計工具。風扇、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 設計工具附帶的，也不是在公司的 MCAD系統(tǒng)中設計的，但要進行精確的熱分析必須包含這類元器件。
七、處理長度規(guī)模的范圍
電子系統(tǒng)的獨有特征之一是其包含廣泛的長度規(guī)模范圍，涵蓋了從芯片表面的納米級到數(shù)據(jù)中心機架的米級尺度。這對 CAE 工具，尤其是采用貼體網(wǎng)格的 CAE 工具構成了巨大的挑戰(zhàn)。
將所有元素直接包含在模型中的做法既不現(xiàn)實，也不可取。形成這一挑戰(zhàn)的部分原因在于，在仿真對提高設計質量貢獻最大的環(huán)節(jié)，大量信息還是未知的。例如，在設計后期確定元器件布局之后才對 PCB 進行布線，然而，不合格的元器件布局可能給熱性能帶來災難性的影響。
一種常見的做法是將簡化的行為模型用于芯片封裝、PCB、風扇、散熱器等元器件中。PADS FloTHERM XT 使用 SmartParts? 來加快這些元器件以及其他常見元器件的建模速度，并隨著設計細節(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)構建簡單的概念模型，與直接取自MCAD 的機械元件配合，輕松地創(chuàng)建自己的 CAD 幾何形狀，以及使用詳細的電子組件。SmartParts 還能加快設計空間的探索，尤其是在早期設計階段。
在設計后期，通常需要包含產(chǎn)品多個方面的大量幾何細節(jié)，以獲得高保真的仿真結果；例如，詳細的PCB 走線層、PCB 堆棧內(nèi)的電源和接地平面、熱關鍵性元器件的詳細模型，以及所用的任何散熱器的詳細模型等。
與設計工具集的緊密集成意味著可以將后期設計中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細幾何形狀與較早時在熱分析軟件內(nèi)構建的幾何形狀進行交換，從而支持概念研究和早期設計研究。在優(yōu)化EDA和MCAD設計的過程中可以無縫地應用更新。
通過生成網(wǎng)格來分析此類細節(jié)的熱傳遞是一個非常耗時的過程。為提高此過程的效率，每個幾何形狀將作為一個控制體傳遞給 CFD 求解器，并使用網(wǎng)格內(nèi)的幾何形狀知識來直接構建控制體，而無需進一步劃分網(wǎng)格。利用這種獨特的方法，PADS FloTHERM XT 可以在單獨的網(wǎng)格中使用實體對實體和／或實體對流體邊界捕獲多個固體幾何形狀片段，從而捕獲復合結構和多個流動通道（例如散熱器鰭片之間的流動通道）。
八、訪問和復用預先存在的數(shù)據(jù)
確保熱模型保持最新狀態(tài)并更新設計流程中的更改，對于做出及時的決策、避免設計返工和縮短上市時間而言至關重要。
除幾何形狀之外，熱仿真還需要其他信息，例如關于產(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入功率數(shù)據(jù)；此過程通常采用 CSV 文件形式，并使用元件位號來標識熱模型中的元器件。當功率估算發(fā)生變化時，需要自動更新這些數(shù)字。
在最精細的細節(jié)級別，詳細封裝模型可能要求一組芯片級功率映射，以定義不同應用中的芯片上的功率分布。其中每個模型都包含多個可交換的單獨熱源，用以評估產(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”或實際功耗狀態(tài)，而不是使用穩(wěn)態(tài)熱設計功率來開展設計的趨勢，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。
基于需要實施的“邊界條件”的數(shù)量，電子散熱模型都是獨一無二的。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。由于能夠在單個元件中存儲所有信息，因此極大地縮短了構建模型所需的時間。
除了提供方法輕松開發(fā)新的創(chuàng)新設計模型之外，電子散熱工具還需要處理設計中重復使用的元件，例如底板。新電路板應該能夠輕松地插入現(xiàn)有底板。借助高效的庫可以大幅增強此過程。
PADS FloTHERM XT 支持使用元件以及內(nèi)置的拖放功能，將所有相關數(shù)據(jù)存儲在一起；其中，拖放功能可支持導入和導出整個模型、組件和單獨的元件，包括其相關的材料屬性及其他數(shù)據(jù)。
九、處理不確定性
設計中已知的一項與材料屬性和功耗相關的挑戰(zhàn)是，關于模型中所用值的不確定性。這可以延伸到設計的幾何方面，例如 PCB 中的銅皮層、膠接層和其他界面層的實際厚度等。
熱設計的一個重要方面是確定模型中存在哪些對關鍵元器件溫度影響最大的不確定性。我們之前討論過使用數(shù)值實驗設計技術，以及在進行設計空間的確定性探索的情況下執(zhí)行設計優(yōu)化，以降低成本和增強可靠性。可采取相同的自動方法來確定熱設計在面對制造期間可能出現(xiàn)的隨機變化時的穩(wěn)定性。
完成上述評估后，即可指導設計人員將精力放在通過設計更改以及獲取更精確的仿真數(shù)據(jù)來實現(xiàn)這些方面的設計改進上。當前最先進的方法是使用測量值作為仿真過程的基礎。這樣，客戶可以大幅減少完成熱設計所需的時間，降低熱設計工作的成本，以及實現(xiàn)能夠預測高于環(huán)境的溫升的模型保真度。這完全顛覆了在完成設計后使用物理樣機研究來糾正設計錯誤的傳統(tǒng)做法。
十、壓縮設計時間和裕量
與基于貼體網(wǎng)格的解決方案相比，可以將模型構建到結果分析的總體過程至少壓縮 50% 以上。其中最大的壓縮部分是，無需清理或簡化 CAD 幾何形狀就能生成網(wǎng)格，以及在網(wǎng)格劃分期間無需花費時間來減少貼體網(wǎng)格固有的可影響收斂和結果質量的網(wǎng)格變形。然而，好處還遠遠不止這些。利用 PADS FloTHERM XT，可以從 MCAD 或 EDA 設計流程來更新模型，從而保留之前用于處理原始設計數(shù)據(jù)的設置，而且模型在幾分鐘內(nèi)就能自動完成重新劃分網(wǎng)格，做好求解準備。
本文來源：互聯(lián)網(wǎng)
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