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

　　6. 為散熱技術(shù)提供支持

　　產(chǎn)品小型化趨勢同樣對散熱技術(shù)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的軸流風(fēng)扇，改用離心風(fēng)扇進(jìn)行散熱，同時(shí)采用熱管技術(shù)將熱量從 CPU 所在的中心位置引導至位于離心風(fēng)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(jiàn)用于空間受限的設備，合成射流技術(shù)也有使用，多見(jiàn)于 LED 照明領(lǐng)域。

　　創(chuàng )新型的散熱器和風(fēng)扇組件設計大行其道，液冷技術(shù)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設計在尋求復雜幾何形狀散熱解決方案時(shí)的理想工具選擇。風(fēng)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 系統中進(jìn)行設計，但必須將其納入設計考慮范圍。

　　熱管或許是個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，從外表看它不過(guò)是長(cháng)長(cháng)一根細管子，可任意彎 曲，也可根據需要進(jìn)行擠壓;但它的表現會(huì )影響系統性能，因此，對于熱管是否按預期發(fā)揮作用應進(jìn)行檢查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 熱特征提取硬件即可進(jìn)行相關(guān)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 工具須能夠導入任意格式的 CAD 模型。風(fēng)扇需要提供風(fēng)扇曲線(xiàn)，給出壓降與流速的關(guān)系特征以便正確計算風(fēng)扇與系統中空氣流動(dòng)阻力之間的相互作用。另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，如果系統采用軸流風(fēng)扇時(shí)，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(dòng)的影響。這一點(diǎn)在系統流動(dòng)阻力居高不下時(shí)非常重要，會(huì )減少系統中的空氣流量。

　　圖 7：T3Ster 測量值確認了瞬態(tài)熱管性能

　　7. 處理長(cháng)度規模的范圍

　　電子系統的一個(gè)獨特之處是其所包含的長(cháng)度規模范圍，從芯片表面的納米到數據中心機架的米，共分九級。這對任何 CAE 工具來(lái)說(shuō)都是不小的挑戰，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實(shí)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(xiàn)一般要在設計后期元器件布局完成后才能進(jìn)行，但糟糕的元器件布局可對系統熱性能帶來(lái)災難性影響。

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

　　在后期設計中，經(jīng)常需要將產(chǎn)品各個(gè)方面的幾何模型細節納入到設計模型中以獲得高保真的仿真結果，例如詳細的 PCB 走線(xiàn)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(gè)不同的封裝級別都采用傳統的 V 模型來(lái)進(jìn)行熱模型的設計、實(shí)現及驗證，這樣可以在整個(gè)開(kāi)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(dòng)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(jìn)行緊密集成就意味著(zhù)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建的模型進(jìn)行交換，從而為前期的概念設計和相關(guān)研究提供支持;然后，相關(guān)更新可隨著(zhù) EDA 和MCAD 設計的逐步細化而進(jìn)行無(wú)縫應用。我們現在將注意力轉向將這些信息應用于熱分析時(shí)都需要哪些條件。

　　從網(wǎng)格劃分的時(shí)間成本來(lái)看，采用貼體 CFD 網(wǎng)格來(lái)捕捉這一細節級別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現實(shí)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”)現已被擴展用于準確捕捉非笛卡爾幾何模型。傳統 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(gè)單元都作為一個(gè)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(gè)網(wǎng)格單元中幾何模型的知識直接構建各種控制體，不必作進(jìn)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(shí)體幾何模型在單個(gè)網(wǎng)格單元中的多個(gè)片段，無(wú)論其邊界是實(shí)體對實(shí)體或是實(shí)體對流體，因而可以捕捉到復合結構及多流通道，例如位于散熱器翅片之間的通道。

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

　　8. 使用和重復使用已存在的數據

　　我們迄今已經(jīng)討論了構建和細化熱模型的物理表現形式時(shí)所需要的東西，以及如何對其進(jìn)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(jìn)行及時(shí)更新以反映主要設計流程中的最新變化，這對于及時(shí)做出設計決策、避免設計返工、加速產(chǎn)品投產(chǎn)進(jìn)程來(lái)說(shuō)至關(guān)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(lèi)繁多)產(chǎn)品材料的熱數據以及元器件的功耗信息。因此，功率數據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(lái)表示熱模型中的元器件，這些數值需要隨著(zhù)功率估算的變化而自動(dòng)更新。在相關(guān)細節的最精細級別，詳細的封裝模型可能需要一整套芯片級功率映射來(lái)對不同場(chǎng)合的片上功率分布進(jìn)行定義，其中每個(gè)芯片都包含多個(gè)不同熱源，而這些熱源又可以進(jìn)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(shí)際功率狀態(tài)(而非使用穩態(tài)的熱設計功率)進(jìn)行產(chǎn)品設計的趨勢，讓不同專(zhuān)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(shí)施的“邊界條件”。除了幾何模型以外，邊界條件包括材料數據、熱屬性、表面特性(包括粗糙度)、網(wǎng)格要求以及(如果有風(fēng)扇)性能數據和內置行為模型等。如果能夠將所有這一切都存儲于單個(gè)零件中，必將大幅減少構建模型所需的時(shí)間。

　　電子散熱工具除了能夠提供一種輕松為創(chuàng )新設計構建模型的方法外，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。在現有底板上安裝一個(gè)新電路板應該不難，這一流程現通過(guò)庫功能獲得了極大增強。

　　FloTHERM 自 1989 年首次發(fā)布以來(lái)，始終提供將所有相關(guān)數據存儲于一個(gè)零件中的功能，且內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(gè)元器件，所有這一切均包含其相關(guān)的材料特性及其他數據。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(chǎng)、設備供應商與系統集成商之間傳遞各種熱模型。FloTHERM XT 向后兼容 FloTHERM，支持 FloTHERM 項目數據導入，既可作為組件也可項目PDML 導入，此外還支持對企業(yè)內部或外部供應鏈中的舊項目數據加以利用。

　　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(xué)界面材料等)導熱系數進(jìn)行測量。其中一個(gè)功能就是生成精確度無(wú)與倫比的詳細熱模型，即按照實(shí)測結果對熱模型進(jìn)行相應調整直至完全匹配(如圖 9 所示)。在樣機驗證階段，還可對這一功能進(jìn)行擴展應用，確保熱模型在電路板和系統級別的保真度。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(guò)全面驗證的熱模型在設計中使用和重復使用的范圍。主動(dòng)式功率

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

　　圖 10：采用 T3Ster 生成的結構函數對封裝模型進(jìn)行校準

　　9. 對不確定性因素的處理

　　在熱設計過(guò)程中，與材料特性和功率相關(guān)的一個(gè)常見(jiàn)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(shí)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(wù)就是確定模型中有哪些不確定因素對關(guān)鍵器件溫度的影響最大。我們之前討論過(guò)將參數研究、數值實(shí)驗設計技術(shù)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，提高系統可靠性。同樣的自動(dòng)化方法也可用于確定熱設計對于制造過(guò)程中可能出現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(guān)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方式包括對設計進(jìn)行相應更改和獲取更準確的數據用于仿真研究。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]，此舉已被證明能夠將完成熱設計所需的總時(shí)間減少 60%，將熱設計所需的精力成本降低 60%，最后實(shí)現的模型保真度可將升溫預測誤差控制在 5% 以?xún)?。這種方法完全顛覆了以往在設計完成后使用物理樣機來(lái)更正設計錯誤的傳統做法，而是使用測量值來(lái)確保熱模型所涉元器件的應用有效性，從而可將 90% 的時(shí)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(jìn)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(jìn)與效率提升 2009-2015 [12]

　　10. 壓縮設計時(shí)間與裕量

　　Denso 公司的例子(圖 11)說(shuō)明了企業(yè)如何通過(guò)提高其 CAE 活動(dòng)的保真度來(lái)有效應對壓縮設計裕量的壓力。如果使用可與實(shí)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(shí)間。

　　與基于貼體網(wǎng)格的解決方案相比，這里從模型構建到結果分析的整個(gè)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(jiǎn)化步驟，去除了網(wǎng)格劃分期間用于改進(jìn)網(wǎng)格減少網(wǎng)格變形的時(shí)間(網(wǎng)格變形是貼體網(wǎng)格的固有特性，可以影響數據收斂和結果量)。

　　圖 12：流程壓縮示意圖 €€ 相較于貼體 CFD

　　然而，這僅僅是問(wèn)題的一個(gè)方面。采用 FloTHERM XT，可對任何來(lái)自 MCAD 或 EDA 設計流程的模型進(jìn)行相應更新，同時(shí)保留其原有設置用于處理其原始設計數據，只需數分鐘，模型既可自動(dòng)進(jìn)行重新劃分網(wǎng)格，用于后續流程。

　　對仿真結果進(jìn)行報告，向項目利益相關(guān)方(包括項目業(yè)主、工程總監、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)及其他相關(guān)人員)分享信息，這是一項最基本、但又常耗時(shí)費力的工作。撰寫(xiě)長(cháng)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(gè)流程中的每個(gè)環(huán)節，包括報告生成。專(zhuān)業(yè)的工具會(huì )清楚知道哪一類(lèi)結果可以影響決策(例如 Tc 和 Tj)，然后不遺余力地報告這些結果。此外，可能還會(huì )向非專(zhuān)業(yè)人士指出改進(jìn)設計的方法(例如使用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 專(zhuān)利技術(shù) [13])。這些技術(shù)可以繪制圖表向企業(yè)管理層證明，他們畫(huà)在紙巾上的空氣流動(dòng)箭頭在實(shí)際產(chǎn)品中并不是那么回事(如圖 13 所示)。

　　圖 13：系統空氣流動(dòng)的想像圖與實(shí)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(huì )影響設計而哪些不會(huì )，并根據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(shí)驗結果數據，按不同的成本(或目標)函數對設計進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅節省設計時(shí)間。

　　結束語(yǔ)

　　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(lái)提高設計精確性，摒棄以往采用假設保守的功率估算進(jìn)行的穩態(tài)仿真。功率密度也隨著(zhù)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(shí)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(shù)的選擇、所選解決方案對企業(yè)現有工作流程的契合度以及企業(yè)員工的專(zhuān)業(yè)背景和實(shí)際技能，是提高企業(yè)工程生產(chǎn)率水平的關(guān)鍵所在。