電子產(chǎn)品熱設計領(lǐng)域面臨的以下 10 個(gè)關(guān)鍵難題

　　電子設備的小型化趨勢正在持續增加所有封裝級別的功率密度。設備小型化源于降低成本考慮，這也是許多行業(yè)的關(guān)鍵驅動(dòng)因素，其結果就是設計裕量越來(lái)越少，對過(guò)度設計的容忍度越來(lái)越低。這一點(diǎn)對于產(chǎn)品的物理設計來(lái)說(shuō)尤其準確，因為過(guò)度設計會(huì )增加產(chǎn)品的重量和體積，很多時(shí)候還會(huì )增加制造和組裝成本，從而增加最終產(chǎn)品的成本。

　　有效散熱對于電子產(chǎn)品的穩定運行和長(cháng)期可靠性而言至關(guān)重要。將部件溫度控制在規定范圍內是確定某項設計可接受程度的通行標準。散熱解決方案可直接增加產(chǎn)品的重量、體積和成本，且不具有任何功能效益，但它們提供的是產(chǎn)品可靠性。如果沒(méi)有散熱系統，大部分電子產(chǎn)品用不了幾分鐘就會(huì )發(fā)生故障。漏電流以及由此產(chǎn)生的漏電功耗會(huì )隨著(zhù)芯片尺寸縮小而上升;此外，由于漏電與溫度密切相關(guān)，因而產(chǎn)品熱設計就更加重要，正如需要為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備保持電量一樣。

　　那么，企業(yè)中的工程管理人員應如何介入涉及復雜和/或高功率電子部件的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程才能確保其產(chǎn)品既保持應有的熱性能又滿(mǎn)足其他設計要求呢?

　　要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要探討電子產(chǎn)品熱設計領(lǐng)域面臨的以下 10 個(gè)關(guān)鍵難題。

　　1. 熱設計所涉及的工科范圍

　　電子散熱(或稱(chēng)為熱設計)其實(shí)是一個(gè)相當小眾的細分領(lǐng)域。二十年之前，熱設計通常是企業(yè)中的集中設計活動(dòng)，配有熱專(zhuān)家團隊，成員主要是具有熱傳遞知識背景的機械工程師，為所有業(yè)務(wù)部門(mén)提供熱設計服務(wù)。當時(shí)，產(chǎn)品的機械部分(包括任何散熱解決方案)與電子部分是獨立進(jìn)行設計的。那時(shí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度非常緩慢，因為大部分精力仍然放在產(chǎn)品的物理樣機研究，用于糾正設計完成后可能出現的問(wèn)題。但今天，熱設計作為一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域可能由負責某個(gè)產(chǎn)品設計的跨學(xué)科團隊中由一個(gè)或多個(gè)成員來(lái)完成(具體視公司或行業(yè)情況而定)。

　　對于那些以確保產(chǎn)品熱運行正常為己任的設計師來(lái)說(shuō)，熱設計既可以是專(zhuān)職工作，也可以是兼職工作;他們可能是同時(shí)涉足產(chǎn)品機械的通才(而非熱處理專(zhuān)家)，也可能是電子專(zhuān)業(yè)工程師。

　　在企業(yè)或業(yè)務(wù)部門(mén)內考慮優(yōu)化熱設計事宜時(shí)，應考慮團隊成員的專(zhuān)業(yè)背景和實(shí)際技能。由于其專(zhuān)業(yè)背景各異，可能需要各不相同的熱設計工具來(lái)發(fā)揮各自的最大效率。因此，從設計工具的角度考慮，一定要因地制宜，不能一刀切。

　　圖 1：FloTHERM XT 的界面可提供全面的 MCAD 支持

　　2. 不同的目標設計環(huán)境

　　為什么當初熱設計人員都來(lái)自機械或電氣專(zhuān)業(yè)背景?部分原因在于歷史上企業(yè)對熱設計的一貫看法，以及因此而產(chǎn)生的熱設計如何與其他設計活動(dòng)相結合的問(wèn)題。

　　在部分企業(yè)中，熱設計可能被視為 PCB 設計流程的一部分，與主要的電子設計并行，尤其是設計用于標準插 架的產(chǎn)品時(shí);在此情況下，承擔熱設計任務(wù)的則可能是電子工程師，習慣使用 EDA 工具，例如 Mentor 公司的Xpedition Enterprise [1]。此時(shí)，最好為他們提供基于 EDA的 PCB 仿真解決方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 產(chǎn)品，其中包含有熱分析模塊，當然還有設計規則檢查、電源完整性、信號完整性、三維電磁以及模擬仿真等。

　　圖 2：HyperLynx 的熱設計界面圖片(其中顯示的是熱模型)

　　而在另一方面，熱設計可能被視為與產(chǎn)品機械設計部分并行，這一點(diǎn)在傳統行業(yè)(例如汽車(chē)行業(yè))較為普遍，因為這些產(chǎn)品中的電子成分一直增長(cháng)緩慢，直到最近幾年。在此情況下，承擔熱設計任務(wù)的則可能是汽車(chē)工程師、機械工程師或產(chǎn)品工程師，習慣在企業(yè) PLM 環(huán)境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如達索系統集團的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西門(mén)子的 NX等。此時(shí)，最好為他們提供直接嵌入在 MCAD 系統中的熱設計解決方案，一來(lái)對他們輕車(chē)熟路，二來(lái)恰好與企業(yè)現有工作流程完美契合。Mentor 公司的三維計算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 分析解決方案 FloEFD [2] 已經(jīng)植入上述所有 MCAD 系統，并與歐特克 Inventor 和西門(mén)子 SolidEdge 緊密集成，提供專(zhuān)門(mén)的支持模塊用于電子散熱和 LED 照明等應用。

　　圖 3：西門(mén)子 NX 界面圖片(其中顯示的是 FloEFD 熱模型)

　　從更廣義的角度來(lái)看，熱設計應位于上述主要 EDA 和 MCAD 設計流程之間的某個(gè)位置。承擔熱設計的人員可能是一個(gè)同時(shí)擁有機械和電子專(zhuān)業(yè)背景的混合人群，他們需要使用上述兩種工具集生成的數據，但又對其運行知之甚少。對于這群人，獨立運行且與上述主要設計流程進(jìn)行無(wú)縫集成的解決方案應該是最佳選擇。傳統的 CFD 電子散熱軟件就是針對這一工程師群體和環(huán)境設計的。Mentor 公司的 FloTHERM 套件中包含FloTHERM、FloTHERM XT 、FloTHERM PCB 和 FloTHERM PACK，并輔以FloMCAD.Bridge 、FloEDA.Bridge 和Command Center，提供最全面、最綜合的工具集。

　　圖 4：FloEDA 橋接(其中顯示的是插滿(mǎn)器件的 PCB 板熱模型)

　　3. 研發(fā)中產(chǎn)品的類(lèi)型及產(chǎn)量

　　我們已經(jīng)了解工程師和設計環(huán)境對于熱設計的有效運作會(huì )產(chǎn)生怎樣的影響了。其實(shí)，正在研發(fā)中的產(chǎn)品其所屬類(lèi)型及未來(lái)產(chǎn)量對熱設計同樣有影響。

　　在傳統行業(yè)中(例如航空、核能、汽車(chē)等)，CFD 軟件一直用于分析研究產(chǎn)品的性能，主要原因是產(chǎn)品的設計時(shí)間相對較長(cháng)，對安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。這些行業(yè)中電子設備的熱設計當然也會(huì )受到這些因素的影響，關(guān)注重點(diǎn)降低元器件溫度，留出充分的安全裕量，設計值往往低于其額定值以延長(cháng)產(chǎn)品使用壽命。因此，設計人員花費大量設計精力用于增加散熱系統的冗余，以致于如果風(fēng)扇發(fā)生故障，系統仍能在規定范圍內保持正常運行，而且更換風(fēng)扇可以在系統運行狀態(tài)下進(jìn)行。

　　而對于今天的高量產(chǎn)消費類(lèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，成本和性能則成為主要決定因素。隨著(zhù)更新?lián)Q代的步伐不斷加快，產(chǎn)品的設計周期也被大量壓縮，從概念設計到最后投產(chǎn)僅用數個(gè)月。盡量降低產(chǎn)品單位成本成為設計活動(dòng)的主要目標，這就需要對設計空間進(jìn)行仔細研究探索，確保選擇最具成本效益的散熱解決方案，選擇時(shí)要考慮來(lái)自設計各個(gè)方面的影響，例如封裝選擇、PCB 布局、電路板架構以及圍護設計(包括風(fēng)扇尺寸、位置、通風(fēng)口定位等)。有關(guān)這方面的更多討論詳見(jiàn)參考文獻 [3-7]。這種獨特而又具壓倒性的要求(快速分析與設計空間探索)引發(fā)了市場(chǎng)對電子設備散熱專(zhuān)用 CFD 軟件的研發(fā)熱潮，這一潮流從上世紀 80 一直持續至今。這些解決方案將不同的 CFD 技術(shù)應用于傳統的貼體式 CFD 程序，從而實(shí)現快速生成第一結果，而后則以更快的速度進(jìn)行設計迭代。

　　這種技術(shù)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是，對熱模型的任何修改，包括幾何尺寸更改、網(wǎng)格劃分、解決方案以及對結果的后期處理等，可全部實(shí)現自動(dòng)處理。這樣就提供了一個(gè)其他無(wú)可匹敵的功能，既能夠繼續探索設計空間優(yōu)化，同時(shí)又能釋放寶貴的工程資源用于價(jià)值更高的活動(dòng)。

　　Mentor 公司的 FloTHERM 套件輔以 Command Center，可為用戶(hù)提供基于空間填充用拉丁超立方體的計算機仿真試驗設計 (DoCE)、順序優(yōu)化 (SO) 和響應面優(yōu)化 (RSO) 等。其中采用 SO 和 RSO 預測的優(yōu)化設計方案可自動(dòng)進(jìn)行仿真以確保其性能表現與預測一致(見(jiàn)圖 5 所示)。FloTHERM XT 中內置的實(shí)體模型器也具有類(lèi)似功能，可進(jìn)行以 CAD 為中心的參數化研究。

　　圖 5：指揮中心場(chǎng)景表(其中顯示的是已解決的設計以及 RSO 最佳結果和響應面)

　　4. 適應現代技術(shù)的飛速發(fā)展

　　產(chǎn)品設計小型化的總體趨勢催生了日益凌亂和復雜的幾何模型，加深了產(chǎn)品中機械成分與電子成分的緊密集成，其中最為典型的就是移動(dòng)應用，代表產(chǎn)品包括智能手機和平板電腦等。

　　設計小型化在產(chǎn)品級別的一個(gè)結果就是流動(dòng)空間被大幅壓縮，從而限制了對流散熱的范圍。這些小型空間會(huì )導致內部空氣出現層流化流動(dòng)，其湍流強度由槽壁生成的剪切力決定(同時(shí)影響著(zhù)湍流生成與湍流阻尼)，這實(shí)際上減少了捕捉湍流效應數值的需求。隨著(zhù)時(shí)間推移，空氣中的升溫對于 IC 封裝體內部結點(diǎn)升溫幅度(高于環(huán)境溫度)的影響會(huì )越來(lái)越小;

　　反過(guò)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品小型化趨勢對以下方面的要求日益提高：幾何模型精度、材 料、表面特性捕獲、表面間輻射以及(在某些應用中)太陽(yáng)能輻射等。電源層與接地層中的電流密度以及直流走線(xiàn)已經(jīng)到了相當嚴重的地步，其已成為電路板中的熱源，在后期設計中不得不加以認真考慮。上述這些技術(shù)性變化將帶來(lái)日益增長(cháng)的需求，那就是將熱模型與機械 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它們所描繪的幾何模型同時(shí)實(shí)現集成。更小型的功能及芯片封裝尺寸(規模上與電路板上用于信號傳遞和功率輸出的銅皮功能相類(lèi)似)則需要采用相應的、高水平的細節來(lái)呈現。

　　圖 6：FloTHERM XT 中內置的 Microsoft Surface Pro 和熱模型，為清晰起見(jiàn)隱藏了部分幾何模型細節(圖片由 ECS 提供 [8])

　　5. 與設計工具集相集成

　　隨著(zhù)機械與電氣設計學(xué)科的逐漸融合，加上產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢，這就要求在一個(gè)設計流程中進(jìn)行的更改必須及時(shí)反饋到其他流程中。傳統的面向 PCB 設計的二維方法現已獲得顯著(zhù)增強，可以使用三維視圖、庫和各類(lèi) DRC 選項(由 Mentor 公司的 Xpedition Enterprise VX 提供)。

　　FloTHERM XT 內置了 MCAD 內核，可以導入利用前述所有主流 CAD 平臺生成的原始 CAD 幾何模型。經(jīng)由FloTHERM XT 修改過(guò)的零件可以采用同一原始 CAD 格式導出并重新導入至原來(lái)的 MCAD 環(huán)境，確保零件歷史數據得以完好保留。

　　FloTHERM XT 支持與其他公司的 EDA 設計套件實(shí)現同步，例如Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 解決方案聯(lián)盟成員企業(yè) [9]。功能包括對電路板外形進(jìn)行編輯、對元器件進(jìn)行轉換、任意角度旋轉、任意調整尺寸等，還支持 IDF 導入。

　　與 EDA 和 MCAD 系統實(shí)現近乎完美的集成是目前熱設計與其他設計工作流程有效保持一致的前提條件，但就其自身而言，這還遠遠不夠。