電子產(chǎn)品熱設計領域面臨的以下 10 個關鍵難題

　　6. 為散熱技術提供支持

　　產(chǎn)品小型化趨勢同樣對散熱技術的選擇產(chǎn)生影響。前些年，由于筆記本電腦中的空間有限，人們放棄使用臺式機上傳統(tǒng)的軸流風扇，改用離心風扇進行散熱，同時采用熱管技術將熱量從 CPU 所在的中心位置引導至位于離心風扇下游的熱管散熱翅片部分，然后直接排入環(huán)境中。散熱器和導熱墊也常見用于空間受限的設備，合成射流技術也有使用，多見于 LED 照明領域。

　　創(chuàng)新型的散熱器和風扇組件設計大行其道，液冷技術的應用也日益增加。FloTHERM XT 可以輕松處理上述所有散熱解決方案，因而是電子設備系統(tǒng)設計在尋求復雜幾何形狀散熱解決方案時的理想工具選擇。風扇、散熱器、熱管等散熱解決方案通常是外購元器件，他們雖然在 EDA 設計工具中不發(fā)揮任何功能性作用，也不在企業(yè) MCAD 系統(tǒng)中進行設計，但必須將其納入設計考慮范圍。

　　熱管或許是個最簡單的例子，從外表看它不過是長長一根細管子，可任意彎 曲，也可根據(jù)需要進行擠壓;但它的表現(xiàn)會影響系統(tǒng)性能，因此，對于熱管是否按預期發(fā)揮作用應進行檢查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 熱特征提取硬件即可進行相關測量。散熱器通常形狀復雜，需要供應商以 CAD 模型形式提供詳細的幾何尺寸。電子散熱 CFD 工具須能夠?qū)肴我飧袷降?CAD 模型。風扇需要提供風扇曲線，給出壓降與流速的關系特征以便正確計算風扇與系統(tǒng)中空氣流動阻力之間的相互作用。另外一個關鍵點是，如果系統(tǒng)采用軸流風扇時，電子散熱 CFD 工具應能正確分析確定非軸向元器件對空氣流動的影響。這一點在系統(tǒng)流動阻力居高不下時非常重要，會減少系統(tǒng)中的空氣流量。

　　圖 7：T3Ster 測量值確認了瞬態(tài)熱管性能

　　7. 處理長度規(guī)模的范圍

　　電子系統(tǒng)的一個獨特之處是其所包含的長度規(guī)模范圍，從芯片表面的納米到數(shù)據(jù)中心機架的米，共分九級。這對任何 CAE 工具來說都是不小的挑戰(zhàn)，對于那些使用貼體網(wǎng)格的工具尤其如此。

　　將所有一切都納入模型既不現(xiàn)實也不可取。部分原因是，雖然仿真分析可以在某些方面對優(yōu)化設計提供最大幫助，但其中很多信息仍不為人所知。例如，PCB 布線一般要在設計后期元器件布局完成后才能進行，但糟糕的元器件布局可對系統(tǒng)熱性能帶來災難性影響。

　　通常的做法是使用簡化行為模型處理芯片封裝(通過一系列緊湊封裝建模級別，直至詳細的熱模型 [10, 11])、PCB、風扇、散熱器等。FloTHERM 套件采用 SmartPart 處理這些及其他通用元器件，加快了模型構(gòu)建和設計空間探索的速度(特別是在設計初期)，并可以隨著設計流程的深入對模型快速進行細化和優(yōu)化。

　　在后期設計中，經(jīng)常需要將產(chǎn)品各個方面的幾何模型細節(jié)納入到設計模型中以獲得高保真的仿真結(jié)果，例如詳細的 PCB 走線層、PCB 堆棧中的電源層與接地層、熱臨界部件的詳細模型、以及所用任何散熱器的詳細模型。許多公司在各個不同的封裝級別都采用傳統(tǒng)的 V 模型來進行熱模型的設計、實現(xiàn)及驗證，這樣可以在整個開發(fā)流程中建立對模型的信心(圖 8)，當然，公司的產(chǎn)品設計和生產(chǎn)活動通常并不涉及所有這些封裝級別。

　　圖 8：Mentor 公司的熱仿真與特征提取解決方案映射成的電子設計 V 模型

　　與設計工具集進行緊密集成就意味著后期設計中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細幾何模型可以在熱分析軟件中與前期構(gòu)建的模型進行交換，從而為前期的概念設計和相關研究提供支持;然后，相關更新可隨著 EDA 和MCAD 設計的逐步細化而進行無縫應用。我們現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⑦@些信息應用于熱分析時都需要哪些條件。

　　從網(wǎng)格劃分的時間成本來看，采用貼體 CFD 網(wǎng)格來捕捉這一細節(jié)級別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現(xiàn)實的。因此，原先用于電子散熱應用的笛卡爾方法(因為之前建模的幾何模型往往“四四方方”)現(xiàn)已被擴展用于準確捕捉非笛卡爾幾何模型。傳統(tǒng) CFD 方法是對幾何模型劃分網(wǎng)格，然后生成網(wǎng)格單元，每個單元都作為一個控制體傳輸給 CFD 求解器，而我們則采用與此不同的方法，就是使用每個網(wǎng)格單元中幾何模型的知識直接構(gòu)建各種控制體，不必作進一步的網(wǎng)格劃分。

　　FloTHERM XT 就是采用這一獨特方法，能夠捕捉實體幾何模型在單個網(wǎng)格單元中的多個片段，無論其邊界是實體對實體或是實體對流體，因而可以捕捉到復合結(jié)構(gòu)及多流通道，例如位于散熱器翅片之間的通道。

　　圖 9：多曲線散熱器翅片 €€ 采用多控制體在粗八叉樹網(wǎng)格上捕捉

　　8. 使用和重復使用已存在的數(shù)據(jù)

　　我們迄今已經(jīng)討論了構(gòu)建和細化熱模型的物理表現(xiàn)形式時所需要的東西，以及如何對其進行準備用于高效的熱仿真，從而與設計中的變更保持同步。對熱模型進行及時更新以反映主要設計流程中的最新變化，這對于及時做出設計決策、避免設計返工、加速產(chǎn)品投產(chǎn)進程來說至關重要。

　　除了幾何模型之外，熱仿真還需要各種其他信息，特別是(種類繁多)產(chǎn)品材料的熱數(shù)據(jù)以及元器件的功耗信息。因此，功率數(shù)據(jù)可能需要從功率估算工具導入，格式通常為 CSV 文件，其中采用位號來表示熱模型中的元器件，這些數(shù)值需要隨著功率估算的變化而自動更新。在相關細節(jié)的最精細級別，詳細的封裝模型可能需要一整套芯片級功率映射來對不同場合的片上功率分布進行定義，其中每個芯片都包含多個不同熱源，而這些熱源又可以進行互換，作為瞬態(tài)仿真流程用于評估產(chǎn)品在不同狀態(tài)下的熱性能。這是一種按“使用案例”或

　　實際功率狀態(tài)(而非使用穩(wěn)態(tài)的熱設計功率)進行產(chǎn)品設計的趨勢，讓不同專業(yè)(電氣設計與熱設計)工程師之間的工作流程優(yōu)化顯得尤為重要。

　　電子散熱模型之所以獨特，是因為其存在多種需要實施的“邊界條件”。除了幾何模型以外，邊界條件包括材料數(shù)據(jù)、熱屬性、表面特性(包括粗糙度)、網(wǎng)格要求以及(如果有風扇)性能數(shù)據(jù)和內(nèi)置行為模型等。如果能夠?qū)⑺羞@一切都存儲于單個零件中，必將大幅減少構(gòu)建模型所需的時間。

　　電子散熱工具除了能夠提供一種輕松為創(chuàng)新設計構(gòu)建模型的方法外，還需要能夠輕松處理設計中可以重復使用的元器件，例如底板。在現(xiàn)有底板上安裝一個新電路板應該不難，這一流程現(xiàn)通過庫功能獲得了極大增強。

　　FloTHERM 自 1989 年首次發(fā)布以來，始終提供將所有相關數(shù)據(jù)存儲于一個零件中的功能，且內(nèi)置有支持拖放操作的元件庫，可以導入/導出完整模型、各種組件以及單個元器件，所有這一切均包含其相關的材料特性及其他數(shù)據(jù)。該軟件被電子設備供應鏈廣泛采用，用于在半導體供應商、封裝工廠、設備供應商與系統(tǒng)集成商之間傳遞各種熱模型。FloTHERM XT 向后兼容 FloTHERM，支持 FloTHERM 項目數(shù)據(jù)導入，既可作為組件也可項目PDML 導入，此外還支持對企業(yè)內(nèi)部或外部供應鏈中的舊項目數(shù)據(jù)加以利用。

　　Mentor Graphics 提供用于 IC 與功率半導體設備的熱特征提取硬件，可創(chuàng)建適合在任何熱設計軟件中使用的模型，支持對各種材料(粘合膠、膏劑、熱學界面材料等)導熱系數(shù)進行測量。其中一個功能就是生成精確度無與倫比的詳細熱模型，即按照實測結(jié)果對熱模型進行相應調(diào)整直至完全匹配(如圖 9 所示)。在樣機驗證階段，還可對這一功能進行擴展應用，確保熱模型在電路板和系統(tǒng)級別的保真度。這些硬件解決方案可與Mentor 的熱設計軟件完美集成，提供經(jīng)過全面驗證的熱模型在設計中使用和重復使用的范圍。主動式功率

　　循環(huán)設備可同時支持對封裝和模塊的可靠性研究，適用于汽車及航空航天等可靠性要求極高的應用領域。

　　圖 10：采用 T3Ster 生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)對封裝模型進行校準

　　9. 對不確定性因素的處理

　　在熱設計過程中，與材料特性和功率相關的一個常見困難是這些因素在模型所用值的不確定性。這一不確定性還可延伸至產(chǎn)品設計中的幾何尺寸，例如 PCB 中銅皮層的實際厚度、粘合劑及其他接口層厚度等。

　　熱設計的一項重要任務就是確定模型中有哪些不確定因素對關鍵器件溫度的影響最大。我們之前討論過將參數(shù)研究、數(shù)值實驗設計技術和優(yōu)化等應用于確定性設計空間探索的大環(huán)境下，以降低產(chǎn)品成本，提高系統(tǒng)可靠性。同樣的自動化方法也可用于確定熱設計對于制造過程中可能出現(xiàn)的隨機變化情況的應對能力。

　　對上述因素的評估完成后，我們就可以將精力集中于對設計中的相關問題進行改進，改進方式包括對設計進行相應更改和獲取更準確的數(shù)據(jù)用于仿真研究。當前的行業(yè)發(fā)展前沿是使用測量值為仿真流程提供支持[12]，此舉已被證明能夠?qū)⑼瓿蔁嵩O計所需的總時間減少 60%，將熱設計所需的精力成本降低 60%，最后實現(xiàn)的模型保真度可將升溫預測誤差控制在 5% 以內(nèi)。這種方法完全顛覆了以往在設計完成后使用物理樣機來更正設計錯誤的傳統(tǒng)做法，而是使用測量值來確保熱模型所涉元器件的應用有效性，從而可將 90% 的時間、精力和成本用于虛擬樣機驗證，在熱設計完成后幾乎不需要進行物理樣機驗證。

　　熱設計效率的預期變化

　　圖 11：Denso 公司的流程改進與效率提升 2009-2015 [12]

　　10. 壓縮設計時間與裕量

　　Denso 公司的例子(圖 11)說明了企業(yè)如何通過提高其 CAE 活動的保真度來有效應對壓縮設計裕量的壓力。如果使用可與實際設計流程同步的熱設計解決方案，就可以大幅減少設計時間。

　　與基于貼體網(wǎng)格的解決方案相比，這里從模型構(gòu)建到結(jié)果分析的整個流程至少可以壓縮 50%(如圖 12 所示)。這里很大程度上是去除了生成網(wǎng)格所需的 CAD 幾何模型清理和簡化步驟，去除了網(wǎng)格劃分期間用于改進網(wǎng)格減少網(wǎng)格變形的時間(網(wǎng)格變形是貼體網(wǎng)格的固有特性，可以影響數(shù)據(jù)收斂和結(jié)果量)。

　　圖 12：流程壓縮示意圖 €€ 相較于貼體 CFD

　　然而，這僅僅是問題的一個方面。采用 FloTHERM XT，可對任何來自 MCAD 或 EDA 設計流程的模型進行相應更新，同時保留其原有設置用于處理其原始設計數(shù)據(jù)，只需數(shù)分鐘，模型既可自動進行重新劃分網(wǎng)格，用于后續(xù)流程。

　　對仿真結(jié)果進行報告，向項目利益相關方(包括項目業(yè)主、工程總監(jiān)、產(chǎn)品營銷及其他相關人員)分享信息，這是一項最基本、但又常耗時費力的工作。撰寫長篇大論向決策者們闡述某項設計更改合理性的日子一去不復返了。使用優(yōu)秀的工具可以壓縮整個流程中的每個環(huán)節(jié)，包括報告生成。專業(yè)的工具會清楚知道哪一類結(jié)果可以影響決策(例如 Tc 和 Tj)，然后不遺余力地報告這些結(jié)果。此外，可能還會向非專業(yè)人士指出改進設計的方法(例如使用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 專利技術 [13])。這些技術可以繪制圖表向企業(yè)管理層證明，他們畫在紙巾上的空氣流動箭頭在實際產(chǎn)品中并不是那么回事(如圖 13 所示)。

　　圖 13：系統(tǒng)空氣流動的想像圖與實際圖 €€ 反向氣流已標出(圖片由 Clemens Lasance, SomelikeitCool 提供 [14])

　　他們可能還提供響應面優(yōu)化 (RSO) 功能，可幫助設計人員了解哪些變量會影響設計而哪些不會，并根據(jù)對這些變量的對比分析預測出最佳組合方案。RSO 還可以針對由 DoE 生成的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，按不同的成本(或目標)函數(shù)對設計進行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省設計時間。

　　結(jié)束語

　　電子產(chǎn)品的復雜性與日俱增，降低設計裕量就需要采用針對具體“使用案例”的瞬態(tài)仿真來提高設計精確性，摒棄以往采用假設保守的功率估算進行的穩(wěn)態(tài)仿真。功率密度也隨著各封裝級別外形尺寸的縮小而與不斷增加。從降低成本的角度考慮，就需要用更少的時間提出更加準確的解決方案，允許必要的設計空間研究，從而讓最終產(chǎn)品既具有成本競爭力，又確保性能可靠性。熱設計仿真所用技術的選擇、所選解決方案對企業(yè)現(xiàn)有工作流程的契合度以及企業(yè)員工的專業(yè)背景和實際技能，是提高企業(yè)工程生產(chǎn)率水平的關鍵所在。