電子產(chǎn)品熱設(shè)計領(lǐng)域面臨的以下 10 個關(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(tǒng)的軸流風扇，改用離心風扇進行散熱，同時采用熱管技術(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(shè)備，合成射流技術(shù)也有使用，多見于 LED 照明領(lǐng)域。

　　創(chuàng)新型的散熱器和風扇組件設(shè)計大行其道，液冷技術(shù)的應(yīng)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(shè)備系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)計，但必須將其納入設(shè)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(yīng)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(guān)測量。散熱器通常形狀復雜，需要供應(yīng)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(guān)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(guān)鍵點是，如果系統(tǒng)采用軸流風扇時，電子散熱 CFD 工具應(yīng)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(shè)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(shè)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(zāi)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(shè)計空間探索的速度(特別是在設(shè)計初期)，并可以隨著設(shè)計流程的深入對模型快速進行細化和優(yōu)化。

　　在后期設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計 V 模型

　　與設(shè)計工具集進行緊密集成就意味著后期設(shè)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(shè)計和相關(guān)研究提供支持;然后，相關(guān)更新可隨著 EDA 和MCAD 設(shè)計的逐步細化而進行無縫應(yīng)用。我們現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⑦@些信息應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計流程中的最新變化，這對于及時做出設(shè)計決策、避免設(shè)計返工、加速產(chǎn)品投產(chǎn)進程來說至關(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(guān)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(shè)計功率)進行產(chǎn)品設(shè)計的趨勢，讓不同專業(yè)(電氣設(shè)計與熱設(shè)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(shè)計構(gòu)建模型的方法外，還需要能夠輕松處理設(shè)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(yīng)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(guān)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(guān)的材料特性及其他數(shù)據(jù)。該軟件被電子設(shè)備供應(yīng)鏈廣泛采用，用于在半導體供應(yīng)商、封裝工廠、設(shè)備供應(yīng)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(yīng)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(shè)備的熱特征提取硬件，可創(chuàng)建適合在任何熱設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)計軟件完美集成，提供經(jīng)過全面驗證的熱模型在設(shè)計中使用和重復使用的范圍。主動式功率

　　循環(huán)設(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)計過程中，與材料特性和功率相關(guān)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(shè)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(shè)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。我們之前討論過將參數(shù)研究、數(shù)值實驗設(shè)計技術(shù)和優(yōu)化等應(yīng)用于確定性設(shè)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(shè)計對于制造過程中可能出現(xiàn)的隨機變化情況的應(yīng)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(shè)計中的相關(guān)問題進行改進，改進方式包括對設(shè)計進行相應(yīng)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(shè)計所需的總時間減少 60%，將熱設(shè)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(shè)計完成后使用物理樣機來更正設(shè)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(yīng)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(shè)計完成后幾乎不需要進行物理樣機驗證。

　　熱設(shè)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(shè)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(yīng)對壓縮設(shè)計裕量的壓力。如果使用可與實際設(shè)計流程同步的熱設(shè)計解決方案，就可以大幅減少設(shè)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(shè)計流程的模型進行相應(yīng)更新，同時保留其原有設(shè)置用于處理其原始設(shè)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(guān)方(包括項目業(yè)主、工程總監(jiān)、產(chǎn)品營銷及其他相關(guān)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(shè)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(shè)計的方法(例如使用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 專利技術(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(yīng)面優(yōu)化 (RSO) 功能，可幫助設(shè)計人員了解哪些變量會影響設(shè)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(shè)計進行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省設(shè)計時間。

　　結(jié)束語

　　電子產(chǎn)品的復雜性與日俱增，降低設(shè)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(shè)計精確性，摒棄以往采用假設(shè)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(shè)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(shè)計仿真所用技術(shù)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(guān)鍵所在。