电子设备的主要热源是半导体芯片,而芯片的热敏感性对制冷技术形成挑战。芯片过热将导致其提前失效,而芯片的失效又将导致整个设备的故障。芯片温度越高,将越早失效且更易出故障。由于芯片的功耗越来越大,所以其散热性能被认为是制约电子设备发展的关键因素。采取合理的散热技术将会避免关键元器件的过热或失效。

    电子行业中,从芯片的概念设计到其上市的时间远远短于传统行业,某些行业领域甚至将其缩短至9个月,因为产品发布时间若延迟几周,会严重影响到利润。电子产品的热仿真过程需要快速准确,并且能够与复杂的设计过程相融合。通常其项目负责人并不是CFD流体力学领域的专家,他们不愿花太多时间学习详细的CFD理论,以及从事复杂的网格划分工作。

    机械工程师通常要负责整套设备各方面的机械设计,并不仅仅限于PCB布局的电子设计。他们还将负责设备的外壳设计、各个PCB和元器件的合理布局,确保结构的整体一致性和设备运转的安全可靠性。散热和冷却设计虽然很关键,但只是他们所关心的众多事情中的一件。


                      


    机械工程师需要和使用EDA软件的电子设计工程师以及使用其他使用MDA的机械工程师合作。从概念设计到研究及优化再到最终的验证,整个产品设计过程都需要用到热设计软件。这些多样性的需求对软件的开发,尤其是对其界面、数据管理和集成有重要的意义。

    传统上,基于CFD的热设计软件要求电子工程师有专业的热设计和CFD技术背景。这些工程师仍然集中在电气公司的核心部门;但是基于CFD的热设计的需求范围已经扩展到包括电子工程师,机械设计工程师,工业 设计师和市场人员(如图所示)。

    因此,设计一款软件变得更加具有挑战性,其需要能够进行用户界面(UI)设计、几何图形预处理、CFD术语和功能的模糊处理、结果后处理,网格划分及求解器计算,并能兼容机械设计例如CAD、CAE、EDA软件等。

    通用CFD软件远不能满足这些需求,因此用于优化电子散热设计的FloTHERM XT则就此产生。

    热设计:从概念设计到最终产品

    电子设备是由许多固体元部件组成(如PCB,电子封装设备,电缆,风扇和散热器等)。气流局限在元器件间的狭窄区域。除了对流,固体元件(具有极其复杂的内部结构)间的传导也很关键。热分析会涉及大量的对象(有时数以千计),在等级方面也有巨大等级区分(从米到微米级别)。由于这些复杂性,对电子产品的热仿真提出了前所未有的挑战,包括几何模型捕捉、尺寸等级差异、缺失数据的不确定性(组件热数据、功率损耗、材料性质、层厚度界面电阻)、过渡流态、网格生成、硬件环境精度的增加。


    几何模型捕捉

    在详细设计中,几何模型集合了EDA和MDA设计流程。由于IC和PCB设计都是使用电路图设计的,所以面临的一个特殊挑战是需处理EDA系统电子产品的二维示意图。PCB设计工具只需了解PCB布局,无需了解元器件高度等最基本的几何信息。 关于芯片封装内部几何结构的详细信息通常是不需要的。

    规模等级

    源于摩尔定律的小型化导致产品至内部元器件及电路系统之间的尺寸差距加大。通常同一模型中包含从米到微米间的部件,并且管道中的小裂口同样对电子散热有重大影响。

    随着规模差异随时间逐渐增大,当几何模型不能直接在仿真过程中显示时,将需要简化模型,诸如针对多层PCB中的单层PCB和IC封装芯片,其内部结构通常未知。

    缺失值

    电子散热应用面临的另一个挑战—缺失值。三维机械设计CAD系统缺少材料的属性值,CFD仿真通常也会遇到这种问题。对于电子散热应用来说,系统是由来自多个供应商提供的元器件组成的,这些元器件的热特性信息通常不够明确。

    这些元器件包括IC封装、热管、风扇、制冷设备等。这些几何模型部分来自于EDA系统,而EDA系统通常不包括所使用材料的任何信息。这就增加了电子系统装备的复杂性,其中热界面材料和导热填隙的使用可以增进热传导以实现有效的散热方案。

    大功耗器件利用其运行功率信息以预测其运行环境下的系统温度,功率信息根据产品使用功能的不同而改变。当元器件在最大功率时的稳态运行条件下进行设计,将会导致过度设计,这是不可取的。越来越多地需要瞬态模拟以确保运行可靠和谨防过度设计。

    气流流态

    在复杂的电子系统中,强制冷却气流在通道中受到各种凸起元件(模块)的阻碍而形成低雷诺数流动。而且沿着壁面流动的湍流并不能自身长期保持,当在流过光滑的通道时会变成层流。因此湍流模拟是一个特殊的挑战。在一个快速的设计环境中,由于大量气流通道、器件以及系统滞留时间的存在,利用足够细化的网格进行大涡模拟(LES)是完全不现实的。

    直到近期,用标准双方程雷诺传输定理模型实例开始被质疑。零方程有效粘度模型通常加入测试湍流粘度,因为低网格密度通常引起单方程和双方程模型预测的湍流粘度值比由经验数据和总体流动速度估计值还差(与测试值比较)。

    当使用标准通用的壁函数处理(对数定律,vandriest,1/7th幂律)时,单方程和两方程模型的关键是优化靠近表面的网格,以便为近壁网格提供y+值,实现至气流中心部分的低度网格膨胀。在电子应用中,边界层位于元器件、PCB板、散热片等的前边缘,导致大量边界薄层在系统内分解,所以不能遵循在y+的标准建议。如此,LVEL[3]是应该选择的模型。但是,电子散热应用的嵌入边界处理就解决了这一问题。

    网格生成

    虽然网格生成是CFD共有的基本属性,但是对电子散热来说仍然是一个挑战,因为这一领域中有相当数量的固体-液体和固体-固体界面的存在。几何模型变化需要软件全自动化处理,网格划分时,网格超出预设范围也需要软件全自动化处理。

    如果对未封装电子设备的外观没有审美要求,那么运用EDA系统对元器件和PCB进行二维设计的话,电子产品中会包含大量的笛卡尔乘积,因此CAD设计会采用笛卡尔网格划分。但是,由于尺寸的限制,电子设计师在设计时需要在板上倾斜放置元器件,以某个倾斜度插入DIMM双列直插内存模块,以及设计非笛卡尔剖面的散热器。

    将物体上的笛卡尔网格应用到解域的边缘是不恰当的,因为一旦详细的结构建模应用到模型中时,会导致网格数目激增。因此,运用笛卡尔网格对物体内部和周围进行局部网格细化是很普遍的,可以对非笛卡尔网格划分的物体采用局部孔隙度和体素化的处理方法,大部分情况下精确度是可以接受的。

    随着电子设备系统中非笛卡尔网格几何模型的增多,需要采取复杂精密的网格划分策略。近些年来,很多行业在早期产品设计中,运用集成在MCAD系统中的CFD进行仿真,并越来越多地采用四面体网格划分。产品设计过程是基于公司的三维机械CAD系统。

    在电子领域中,产品设计过程在公司间差异很大。集成CFD的MCAD系统可能不太常用,因为大部分产品的早期设计经常在三维机械CAD环境之外,并且设计过程可能会围绕公司的EDA工作流。

    因此,在设计独立的产品中才能运用集成在MCAD系统中的CFD进行仿真。

    硬件环境

    一般来说,热设计和电子设计是同步进行的。高性能计算(HPC)设备在散热领域的CFD应用远不及在其他工业 领域的应用;例如在汽车行业,HPC被广泛用来高精度仿真LES,以解决产品设计方面的困难,如空气声学。但是 在电子散热领域,仿真精度的提高并不一定能转化为产品质量的提高。仿真模型的质量经常受制于输入数据的不确 定性。

    到目前为止,适当升级到8-16核的高端设备性能已经可以满足市场需求。共用存储器节点的良好扩展极有可 能仍是硬件性能提升的目标。硬件环境会发生从桌面电脑系统到云计算的变化,它将运用实验技术的数字设计极大 促进空间设计探究。

    增强精度

    由于设计余量的减小,仿真精度需要提升。但是这并不是说需要高保真度的CFD。事实上,自从21世纪初,随着封装技术和外壳模具水平的提高,大功率和高功率密度模块得以实现,例如PCB。这跟精确度有何关联?从周围环境到结点的容许温升并未增大,但是随着封装内部功率密度的增加(如PCB等),使用环境的温升比例正在逐渐减小。另一方面,固体结构内热传导模拟的重要性逐渐增加。这也说明为何要注重MCAD集成(如散热器设计),更要注重EDA集成,以便准确获取PCB信息(影响到焦耳热的传导、功耗和接地层),准确测量热界面材 料(特别是不能用基于ASTM D5470设备测试的柔性材料I和II)的热传导率。

    如何处理电子产品的热设计挑战

    电子散热领域的CFD软件——FloTHERM XT, 可用于解决这些挑战。FloTHERM XT的SmartPart技术能够使复杂封装设备的仿真更为容易,尤其是对LED照明、消费电子、航空/国防以及汽车设计领域的工程师来说。

    在一些通用的CFD软件中,网格划分会占用大量的时间和精力,尤其是当它出错时更为麻烦。大多数机械工程师直接使用软件自带的全自动网格划分设置,但为了提高精度,需要有手工设置定义的功能。因此需要更为精密的网格划分策略。FloTHERM XT中的先进代码提供基于对象的半自动化算法,能够适应自动网格划分,也可使有经验的CFD热仿真工程师自由使用和手动控制。

    FloTHERM XT使用高稳定性的数值方法和半自动控制结果收敛的控制方案(只需要少许人工干预)。

    对电子散热应用来说,湍流模拟很少成为导致结果错误的最主要原因。导致结果错误的主要原因有可能是功率消耗,材料属性,气流速率或界面电阻。但是,一些针对性的专门设计还是要考虑到湍流。FloTHERM XT的CFD 解决方案会提供最合适的模型,但只在特殊的情况下提供备选方案。FloTHERM XT可提供层流、过渡流和湍流,但是会对湍流的选择进行控制以避免混淆。FloTHERM XT利用了结合侵入边界处理的通用两方程模型,实现不同流态间转换的近壁处效果,并得到适于电子应用的优秀基准测试结果。

    用户界面多样性

    FloTHERM XT可供三维机械CAD工程师和热专家用于电子散热领域热模型的快速建立。FloTHERM XT包含一流的CAD界面工具箱和几何引擎,其中一个简单的选项即可实现全法或缩减法运行软件,这些可以更多地满足应用此工具的工程师的需求。其中缩减法是一个控制开关,可模糊许多不常用的功能和工具栏,由此可减少功能膨胀,方便未接受过CAD训练的人使用。

    设计过程中心

    FloTHERM XT提供的设计环境可快速改变器件的几何模型并生成仿真结果。FloTHERM XT能够适应电子公司中复杂的机械设计环境和相关过程。在FloTHERM XT中,输入的CAD模型以及其内部生成的几何模型函数可无缝结合在一起,以促使供应链集成并可使产品从早期概念设计到最终产品验证都在机械设计流中完成(如图所示)。



    FloTHERM XT采用了这种最优设计流程并尽早降低了热设计方面的风险。FloTHERM XT可以将固体模型和本地链接并入到最常见的EDA设计套件中去,如此便通过一个简单或复杂的3D产品模型的创建就帮助公司将机械设计和电子设计密切结合,此过程实现了MDA和EDA系统内的设计同步进行。 FloTHERM XT能帮助公司进一步缩短设计时间,降低成本和项目实施风险。其独特的EDA界面功能设置(FloEDA Bridge)及其最新功能,可使其与最新的EDA设计变化保持同步(如图所示)。


    FloTHERM XT可对产品在概念设计阶段直到实施阶段进行仿真。可用较少的迭代纠正后期过程中的设计错误,并不断向前进步,以减少产品市场投放的时间。

    FloTHERM XT是款独特的软件,可供设计工程师和散热专家使用;从而,其实验变化可被快速验证或消除, 以此可产生更多的假设,促使更具竞争力的产品产生。FloTHERM XT减少了对热设计专家的依赖,并弥补了EDA 和MDA之间的差距。

    FloTHERM XT与PCB设计工具直接集成,避免了易错且耗时的转移过程。PCB数据经过滤后(例如,对于非散热元件来说),可减少计算时间,并且过滤设置被存储。

    FloTHERM XT具有友好的界面,能够自动进行网格划分和收敛,模型构建以及最复杂系统的有效模拟。相比通用CFD解决方案,FloTHERM XT可大大减少热仿真(如图4所示)的时间。


    案例分析

    这个FloTHERM XT案例是针对一种新型壁挂式网络盒的从概念到原型的设计。此项方案要求重新安置通风口,并按工业市场部人员的要求设计风格化外壳和能使功率扩散增加30%的主电路板。

    第一步的概念设计阶段包括创建一个包含PCB和元器件的盒子模型,以及一个针对整体散热方案和关键元器件温度的初始评估模型(如图所示)。

    然后设计逐步升级到一个完整的系统模型设计,此系统模型设计包含针对封装设备和所需散热器的三维机械CAD设计。 增加界面热阻,并且使用布局布线工具expedition通过EDA输入整个电路板布局图(如图所示)。

    当具备更多明确信息时,元器件模拟也会升级。热模型可利用软件内的库交换和过滤支持,从简易的块式元件模型升级到复杂的2-Resistor[4]模型,DELPHI [5]模型或高细节模型(如图所示)。

    通常在原型和最终产品的整个系统设计过程中, 关于MCAD和EDA的数据都可被保存和追溯查询,如图所示。

    FloTHERM XT内置生成报表功能,可以导出包含项目数据、结果信息和相关截图的word、pdf和 html格式的文件。报表是完全可自行配置的,因此范围内的、边缘的、超出范围的元器件温度可用不同的颜色表示,如图9所示。这项功能大大减少了机械设计工程师和电子设计工程师收到报表的反馈时间,加快了决策进程。


    总结

    自从FloTHERM产品发布后,热设计工程师所面临的挑战已发生变化,功率消耗增加,产品日趋小型化,布局也日趋紧密。设计的复杂性使EDA和MDA设计流程之间的联系变得紧密,这促使热设计工程师采用未简化的系统内原始几何模型,以构建最切合实际的模型,减少变型设计的分析时间和增强结果的准确度。这些变化会影响工程师的人员构成和技术体系,同时对软件的易用性、几何处理和基本的CFD技术也会产生影响。FloTHERM XT可以为各类设计工程师和各级别的技术专家提供支持,为早期的产品设计和后期的设计验证提供帮助,为精心制定的设计方案提供最优模型,为机械设计流和电子设计流的集成提供良好环境。