弗成不知的10大年夜电子产品热设计的寻衅

有效散热对付电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关主要。
将部件温度掌握在规定范围内是确定某项设计可接管程度的通畅标准。

散热办理方案可直接增加产品的重量、体积和本钱，且不具有任何功能效益，但它们供应的是产品可靠性。
如果没有散热系统，大部分电子产品用不了几分钟就会发生故障。
泄电流以及由此产生的泄电功耗会随着芯片尺寸缩小而上升；此外，由于泄电与温度密切干系，因而产品热设计就更加主要，正如须要为物联网 (IoT) 设备保持电量一样。

那么，企业中的工程管理职员应如何参与涉及繁芜和/或高功率电子部件的产品开拓流程才能确保其产品既保持应有的热性能又知足其他设计哀求呢？

要回答这个问题，我们须要磋商电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题。

1. 热设计所涉及的工科范围

电子散热（或称为热设计）实在是一个相称小众的细分领域。
二十年之前，热设计常日是企业中的集中设计活动，配有热专家团队，成员紧张是具有热通报知识背景的机器工程师，为所有业务部门供应热设计做事。
当时，产品的机器部分（包括任何散热办理方案）与电子部分是独立进行设计的。
那时的产品开拓速率非常缓慢，由于大部分精力仍旧放在产品的物理样机研究，用于纠正设计完成后可能涌现的问题。
但本日，热设计作为一个学科领域可能由卖力某个产品设计的跨学科团队中由一个或多个成员来完成（详细视公司或行业情形而定）。

对付那些以确保产品热运行正常为己任的设计师来说，热设计既可以是专职事情，也可以是兼职事情；他们可能是同时涉足产品机器的通才（而非热处理专家），也可能是电子专业工程师。

在企业或业务部门内考虑优化热设计事宜时，应考虑团队成员的专业背景和实际技能。
由于其专业背景互异，可能须要各不相同的热设计工具来发挥各自的最大效率。
因此，从设计工具的角度考虑，一定要因时制宜，不能一刀切。

图 1：FloTHERM XT 的界面可供应全面的 MCAD 支持

2. 不同的目标设计环境

为什么当初热设计职员都来自机器或电气专业背景？部分缘故原由在于历史上企业对热设计的一向意见，以及因此而产生的热设计如何与其他设计活动相结合的问题。

在部分企业中，热设计可能被视为 PCB 设计流程的一部分，与紧张的电子设计并行，尤其是设计用于标准插 架的产品时；在此情形下，承担热设计任务的则可能是电子工程师，习气利用 EDA 工具，例如 Mentor 公司的Xpedition Enterprise [1]。
此时，最好为他们供应基于 EDA的 PCB 仿真办理方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 产品，个中包含有热剖析模块，当然还有设计规则检讨、电源完全性、旗子暗记完全性、三维电磁以及仿照仿真等。

图 2：HyperLynx 的热设计界面图片（个中显示的是热模型）

而在另一方面，热设计可能被视为与产品机器设计部分并行，这一点在传统行业（例如汽车行业）较为普遍，由于这些产品中的电子身分一贯增长缓慢，直到最近几年。
在此情形下，承担热设计任务的则可能是汽车工程师、机器工程师或产品工程师，习气在企业 PLM 环境下利用高端主流的 MCAD 工具集，例如达索系统集团的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西门子的 NX等。
此时，最好为他们供应直接嵌入在 MCAD 系统中的热设计办理方案，一来对他们得心应手，二来恰好与企业现有事情流程完美契合。
Mentor 公司的三维打算流体动力学 (CFD) 剖析办理方案 FloEFD [2] 已经植入上述所有 MCAD 系统，并与欧特克 Inventor 和西门子 SolidEdge 紧密集成，供应专门的支持模块用于电子散热和 LED 照明等运用。

图 3：西门子 NX 界面图片（个中显示的是 FloEFD 热模型）

从更广义的角度来看，热设计应位于上述紧张 EDA 和 MCAD 设计流程之间的某个位置。
承担热设计的职员可能是一个同时拥有机器和电子专业背景的稠浊人群，他们须要利用上述两种工具集天生的数据，但又对其运行知之甚少。
对付这群人，独立运行且与上述紧张设计流程进行无缝集成的办理方案该当是最佳选择。
传统的 CFD 电子散热软件便是针对这一工程师群体和环境设计的。
Mentor 公司的 FloTHERM 套件中包含FloTHERM、FloTHERM XT 、FloTHERM PCB 和 FloTHERM PACK，并辅以FloMCAD.Bridge 、FloEDA.Bridge 和Command Center，供应最全面、最综合的工具集。

图 4：FloEDA 桥接（个中显示的是插满器件的 PCB 板热模型）

3. 研发中产品的类型及产量

我们已经理解工程师和设计环境对付热设计的有效运作会产生若何的影响了。
实在，正在研发中的产品其所属类型及未来产量对热设计同样有影响。

在传统行业中（例如航空、核能、汽车等），CFD 软件一贯用于剖析研究产品的性能，紧张缘故原由是产品的设计韶光相对较长，对安全性和可靠性的哀求要高于本钱和性能。
这些行业中电子设备的热设计当然也会受到这些成分的影响，关注重点降落元器件温度，留出充分的安全裕量，设计值每每低于其额定值以延长产品利用寿命。
因此，设计职员花费大量设计精力用于增加散热系统的冗余，甚至于如果风扇发生故障，系统仍能在规定范围内保持正常运行，而且改换风扇可以在系统运行状态下进行。

而对付本日的高量产消费类电子产品来说，本钱和性能则成为紧张决定成分。
随着更新换代的步伐不断加快，产品的设计周期也被大量压缩，从观点设计到末了投产仅用数个月。
只管即便降落产品单位本钱成为设计活动的紧张目标，这就须要对设计空间进行仔细研究探索，确保选择最具本钱效益的散热办理方案，选择时要考虑来自设计各个方面的影响，例如封装选择、PCB 布局、电路板架构以及围护设计（包括风扇尺寸、位置、透风口定位等）。
有关这方面的更多谈论详见参考文献 [3-7]。
这种独特而又具压倒性的哀求（快速剖析与设计空间探索）引发了市场对电子设备散热专用 CFD 软件的研发热潮，这一潮流从上世纪 80 一贯持续至今。
这些办理方案将不同的 CFD 技能运用于传统的贴体式 CFD 程序，从而实现快速天生第一结果，而后则以更快的速率进行设计迭代。

这种技能的一大关键上风是，对热模型的任何修正，包括几何尺寸变动、网格划分、办理方案以及对结果的后期处理等，可全部实现自动处理。
这样就供应了一个其他无可匹敌的功能，既能够连续探索设计空间优化，同时又能开释宝贵的工程资源用于代价更高的活动。

Mentor 公司的 FloTHERM 套件辅以 Command Center，可为用户供应基于空间添补用拉丁超立方体的打算机仿真试验设计 (DoCE)、顺序优化 (SO) 和相应面优化 (RSO) 等。
个中采取 SO 和 RSO 预测的优化设计方案可自动进行仿真以确保其性能表现与预测同等（见图 5 所示）。
FloTHERM XT 中内置的实体模型器也具有类似功能，可进行以 CAD 为中央的参数化研究。

图 5：指挥中央场景表（个中显示的是已办理的设计以及 RSO 最佳结果和相应面）

4. 适应当代技能的飞速发展

产品设计小型化的总体趋势催生了日益缭乱和繁芜的几何模型，加深了产品中机器身分与电子身分的紧密集成，个中最为范例的便是移动运用，代表产品包括智好手机和平板电脑等。

设计小型化在产品级别的一个结果便是流动空间被大幅压缩，从而限定了对飘泊热的范围。
这些小型空间会导致内部空气涌现层流化流动，其湍流强度由槽壁天生的剪切力决定（同时影响着湍流天生与湍流阻尼），这实际上减少了捕捉湍流效应数值的需求。
随着韶光推移，空气中的升温对付 IC 封装体内部结点升温幅度（高于环境温度）的影响会越来越小；

反过来说，产品小型化趋势对以下方面的哀求日益提高：几何模型精度、材 料、表面特性捕获、表面间辐射以及（在某些运用中）太阳能辐射等。
电源层与接地层中的电流密度以及直流走线已经到了相称严重的地步，其已成为电路板中的热源，在后期设计中不得不加以负责考虑。
上述这些技能性变革将带来日益增长的需求，那便是将热模型与机器 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它们所描述的几何模型同时实现集成。
更小型的功能及芯片封装尺寸（规模上与电路板上用于旗子暗记通报和功率输出的铜皮功能相类似）则须要采取相应的、高水平的细节来呈现。

图 6：FloTHERM XT 中内置的 Microsoft Surface Pro 和热模型，为清晰起见隐蔽了部分几何模型细节（图片由 ECS 供应 [8]）

5. 与设计工具集相集成

随着机器与电气设计学科的逐渐领悟，加上产品小型化的发展趋势，这就哀求在一个设计流程中进行的变动必须及时反馈到其他流程中。
传统的面向 PCB 设计的二维方法现已得到显著增强，可以利用三维视图、库和各种 DRC 选项（由 Mentor 公司的 Xpedition Enterprise VX 供应）。

FloTHERM XT 内置了 MCAD 内核，可以导入利用前述所有主流 CAD 平台天生的原始 CAD 几何模型。
经由FloTHERM XT 修正过的零件可以采取同一原始 CAD 格式导出并重新导入至原来的 MCAD 环境，确保零件历史数据得以无缺保留。

FloTHERM XT 支持与其他公司的 EDA 设计套件实现同步，例如Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 办理方案同盟成员企业 [9]。
功能包括对电路板形状进行编辑、对元器件进行转换、任意角度旋转、任意调度尺寸等，还支持 IDF 导入。

与 EDA 和 MCAD 系统实现近乎完美的集成是目前热设计与其他设计事情流程有效保持同等的条件条件，但就其自身而言，这还远远不足。

6. 为散热技能供应支持

产品小型化趋势同样对散热技能的选择产生影响。
前些年，由于条记本电脑中的空间有限，人们放弃利用台式机上传统的轴流风扇，改用离心风扇进行散热，同时采取热管技能将热量从 CPU 所在的中央位置勾引至位于离心风扇下贱的热管散热翅片部分，然后直接排入环境中。
散热器和导热垫也常见用于空间受限的设备，合成射流技能也有利用，多见于 LED 照明领域。

创新型的散热器和风扇组件设计大行其道，液冷技能的运用也日益增加。
FloTHERM XT 可以轻松处理上述所有散热办理方案，因而是电子设备系统设计在寻求繁芜几何形状散热办理方案时的空想工具选择。
风扇、散热器、热管等散热办理方案常日是外购元器件，他们虽然在 EDA 设计工具中不发挥任何功能性浸染，也不在企业 MCAD 系统中进行设计，但必须将其纳入设计考虑范围。

热管或许是个最大略的例子，从外表看它不过是长长一根细管子，可任意弯 曲，也可根据须要进行挤压；但它的表现会影响系统性能，因此，对付热管是否按预期发挥浸染应进行检讨，例如利用 Mentor 公司的 T3Ster 热特色提取硬件即可进行干系丈量。
散热器常日形状繁芜，须要供应商以 CAD 模型形式供应详细的几何尺寸。
电子散热 CFD 工具须能够导入任意格式的 CAD 模型。
风扇须要供应风扇曲线，给出压降与流速的关系特色以便精确打算风扇与系统中空气流动阻力之间的相互浸染。
其余一个关键点是，如果系统采取轴流风扇时，电子散热 CFD 工具应能精确剖析确定非轴向元器件对空气流动的影响。
这一点在系统流动阻力居高不下时非常主要，会减少系统中的空气流量。

图 7：T3Ster 丈量值确认了瞬态热管性能

7. 处理长度规模的范围

电子系统的一个独特之处是其所包含的长度规模范围，从芯片表面的纳米到数据中央机架的米，共分九级。
这对任何 CAE 工具来说都是不小的寻衅，对

于那些利用贴体网格的工具尤其如此。

将所有统统都纳入模型既不现实也不可取。
部分缘故原由是，虽然仿真剖析可以在某些方面对优化设计供应最大帮助，但个中很多信息仍不为人所知。
例如，PCB 布线一样平常要在设计后期元器件布局完成后才能进行，但糟糕的元器件布局可对系统热性能带来灾害性影响。

常日的做法是利用简化行为模型处理芯片封装（通过一系列紧凑封装建模级别，直至详细的热模型 [10, 11]）、PCB、风扇、散热器等。
FloTHERM 套件采取 SmartPart 处理这些及其他通用元器件，加快了模型构建和设计空间探索的速率（特殊是在设计初期），并可以随着设计流程的深入对模型快速进行细化和优化。

在后期设计中，常常须要将产品各个方面的几何模型细节纳入到设计模型中以得到高保真的仿真结果，例如详细的 PCB 走线层、PCB 堆栈中的电源层与接地层、热临界部件的详细模型、以及所用任何散热器的详细模型。
许多公司在各个不同的封装级别都采取传统的 V 模型来进行热模型的设计、实现及验证，这样可以在全体开拓流程中建立对模型的信心（图 8），当然，公司的产品设计和生产活动常日并不涉及所有这些封装级别。

图 8：Mentor 公司的热仿真与特色提取办理方案映射成的电子设计 V 模型

与设计工具集进行紧密集造诣意味着后期设计中由 EDA 和 MCAD 天生的详细几何模型可以在热剖析软件中与前期构建的模型进行交流，从而为前期的观点设计和干系研究供应支持；然后，干系更新可随着 EDA 和MCAD 设计的逐步细化而进行无缝运用。
我们现在将把稳力转向将这些信息运用于热剖析时都须要哪些条件。

从网格划分的韶光成本来看，采取贴体 CFD 网格来捕捉这一细节级别并供应所需的全耦合热通报仿真支持，显然是不现实的。
因此，原来用于电子散热运用的笛卡尔方法（由于之前建模的几何模型每每“四四方方”）现已被扩展用于准确捕捉非笛卡尔几何模型。
传统 CFD 方法是对几何模型划分网格，然后天生网格单元，每个单元都作为一个掌握体传输给 CFD 求解器，而我们则采取与此不同的方法，便是利用每个网格单元中几何模型的知识直接构建各种掌握体，不必作进一步的网格划分。

FloTHERM XT 便是采取这一独特方法，能够捕捉实体几何模型在单个网格单元中的多个片段，无论其边界是实体对实体或是实体对流体，因而可以捕捉到复合构造及多流利道，例如位于散热器翅片之间的通道。

图 9：多曲线散热器翅片 — 采取多掌握体在粗八叉树网格上捕捉

8. 利用和重复利用已存在的数据

我们迄今已经谈论了构建和细化热模型的物理表现形式时所须要的东西，以及如何对其进行准备用于高效的热仿真，从而与设计中的变更保持同步。
对热模型进行及时更新以反响紧张设计流程中的最新变革，这对付及时做出设计决策、避免设计返工、加速产品投产进程来说至关主要。

除了几何模型之外，热仿真还须要各种其他信息，特殊是（种类繁多）产品材料的热数据以及元器件的功耗信息。
因此，功率数据可能须要从功率估算工具导入，格式常日为 CSV 文件，个中采取位号来表示热模型中的元器件，这些数值须要随着功率估算的变革而自动更新。
在干系细节的最风雅级别，详细的封装模型可能须要一整套芯片级功率映射来对不同场合的片上功率分布进行定义，个中每个芯片都包含多个不同热源，而这些热源又可以进行互换，作为瞬态仿真流程用于评估产品在不同状态下的热性能。
这是一种按“利用案例”或

实际功率状态（而非利用稳态的热设计功率）进行产品设计的趋势，让不同专业（电气设计与热设计）工程师

之间的事情流程优化显得尤为主要。

电子散热模型之以是独特，是由于其存在多种须要履行的“边界条件”。
除了几何模型以外，边界条件包括材料数据、热属性、表面特性（包括粗糙度）、网格哀求以及（如果有风扇）性能数据和内置行为模型等。
如果能够将所有这统统都存储于单个零件中，必将大幅减少构建模型所需的韶光。

电子散热工具除了能够供应一种轻松为创新设计构建模型的方法外，还须要能够轻松处理设计中可以重复利用的元器件，例如底板。
在现有底板上安装一个新电路板该当不难，这一流程现通过库功能得到了极大增强。

FloTHERM 自 1989 岁首年月次发布以来，始终供应将所有干系数据存储于一个零件中的功能，且内置有支持拖放操作的元件库，可以导入/导出完全模型、各种组件以及单个元器件，所有这统统均包含其干系的材料特性及其他数据。
该软件被电子设备供应链广泛采取，用于在半导体供应商、封装工厂、设备供应商与系统集成商之间通报各种热模型。
FloTHERM XT 向后兼容 FloTHERM，支持 FloTHERM 项目数据导入，既可作为组件也可项目PDML 导入，此外还支持对企业内部或外部供应链中的旧项目数据加以利用。

Mentor Graphics 供应用于 IC 与功率半导体设备的热特色提取硬件，可创建适宜在任何热设计软件中利用的模型，支持对各种材料（粘合胶、膏剂、热学界面材料等）导热系数进行丈量。
个中一个功能便是天生精确度无与伦比的详细热模型，即按照实测结果对热模型进行相应调度直至完备匹配（如图 9 所示）。
在样机验证阶段，还可对这一功能进行扩展运用，确保热模型在电路板和系统级别的保真度。
这些硬件办理方案可与Mentor 的热设计软件完美集成，供应经由全面验证的热模型在设计中利用和重复利用的范围。
主动式功率

循环设备可同时支持对封装和模块的可靠性研究，适用于汽车及航空航天等可靠性哀求极高的运用领域。

图 10：采取 T3Ster 天生的构造函数对封装模型进行校准

9. 对不愿定性成分的处理

在热设计过程中，与材料特性和功率干系的一个常见困难是这些成分在模型所用值的不愿定性。
这一不愿定性还可延伸至产品设计中的几何尺寸，例如 PCB 中铜皮层的实际厚度、粘合剂及其他接口层厚度等。

热设计的一项主要任务便是确定模型中有哪些不愿定成分对关键器件温度的影响最大。
我们之前谈论过将参数研究、数值实验设计技能和优化等运用于确定性设计空间探索的大环境下，以降落产品本钱，提高系统可靠性。
同样的自动化方法也可用于确定热设计对付制造过程中可能涌现的随机变革情形的应对能力。

对上述成分的评估完成后，我们就可以将精力集中于对设计中的干系问题进行改进，改进办法包括对设计进行相应变动和获取更准确的数据用于仿真研究。
当前的行业发展前沿是利用丈量值为仿真流程供应支持[12]，此举已被证明能够将完成热设计所需的总韶光减少 60%，将热设计所需的精力本钱降落 60%，末了实现的模型保真度可将升温预测偏差掌握在 5% 以内。
这种方法完备颠覆了以往在设计完成后利用物理样机来更正设计缺点的传统做法，而是利用丈量值来确保热模型所涉元器件的运用有效性，从而可将 90% 的韶光、精力和本钱用于虚拟样机验证，在热设计完成后险些不须要进行物理样机验证。

热设计效率的预期变革

图 11：Denso 公司的流程改进与效率提升 2009-2015 [12]

10. 压缩设计韶光与裕量

Denso 公司的例子（图 11）解释了企业如何通过提高其 CAE 活动的保真度来有效应对压缩设计裕量的压力。
如果利用可与实际设计流程同步的热设计办理方案，就可以大幅减少设计韶光。

与基于贴体网格的办理方案比较，这里从模型构建到结果剖析的全体流程至少可以压缩 50%（如图 12 所示）。
这里很大程度上是去除了天生网格所需的 CAD 几何模型清理和简化步骤，去除了网格划分期间用于改进网格减少网格变形的韶光（网格变形是贴体网格的固有特性，可以影响数据收敛和结果量）。

图 12：流程压缩示意图 — 相较于贴体 CFD

然而，这仅仅是问题的一个方面。
采取 FloTHERM XT，可对任何来自 MCAD 或 EDA 设计流程的模型进行相应更新，同时保留其原有设置用于处理其原始设计数据，只需数分钟，模型既可自动进行重新划分网格，用于后续流程。

对仿真结果进行报告，向项目利益干系方（包括项目业主、工程总监、产品营销及其他干系职员）分享信息，这是一项最基本、但又常耗时费力的事情。
撰写长篇大论向决策者们阐述某项设计变动合理性的日子一去不复返了。
利用精良的工具可以压缩全体流程中的每个环节，包括报告天生。
专业的工具会清楚知道哪一类结果可以影响决策（例如 Tc 和 Tj），然后不遗余力地报告这些结果。
此外，可能还会向非专业人士指出改进设计的方法（例如利用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 专利技能 [13]）。
这些技能可以绘制图表向企业管理层证明，他们画在纸巾上的空气流动箭头在实际产品中并不是那么回事（如图 13 所示）。

图 13：系统空气流动的想像图与实际图 — 反向气流已标出（图片由 Clemens Lasance, SomelikeitCool 供应 [14]）

他们可能还供应相应面优化 (RSO) 功能，可帮助设计职员理解哪些变量会影响设计而哪些不会，并根据对这些变量的比拟剖析预测出最佳组合方案。
RSO 还可以针对由 DoE 天生的实验结果数据，按不同的本钱（或目标）函数对设计进行优化，从而大幅节省设计韶光。

结束语

电子产品的繁芜性进步神速，降落设计裕量就须要采取针对详细“利用案例”的瞬态仿真来提高设计精确性，摒弃以往采取假设守旧的功率估算进行的稳态仿真。
功率密度也随着各封装级别形状尺寸的缩小而与不断增加。
从降落本钱的角度考虑，就须要用更少的韶光提出更加准确的办理方案，许可必要的设计空间研究，从而让终极产品既具有本钱竞争力，又确保性能可靠性。
热设计仿真所用技能的选择、所选办理方案对企业现有事情流程的契合度以及企业员工的专业背景和实际技能，是提高企业工程生产率水平的关键所在。

John Parry 博士 - 皇家特许工程师

John Wilson

Robin Bornoff 博士