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电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题

作者:时间:2018-10-29来源:网络收藏

  电子设备的小型化趋势正在持续增加所有封装级别的功率密度。设备小型化源于降低成本考虑,这也是许多行业的关键驱动因素,其结果就是设计裕量越来越少,对过度设计的容忍度越来越低。这一点对于产品的物理设计来说尤其准确,因为过度设计会增加产品的重量和体积,很多时候还会增加制造和组装成本,从而增加最终产品的成本。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201810/393511.htm

  有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要。将部件温度控制在规定范围内是确定某项设计可接受程度的通行标准。散热解决方案可直接增加产品的重量、体积和成本,且不具有任何功能效益,但它们提供的是产品可靠性。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。漏电流以及由此产生的漏电功耗会随着芯片尺寸缩小而上升;此外,由于漏电与温度密切相关,因而产品热设计就更加重要,正如需要为 (IoT) 设备保持电量一样。

  那么,企业中的工程管理人员应如何介入涉及复杂和/或高功率电子部件的产品开发流程才能确保其产品既保持应有的热性能又满足其他设计要求呢?

  要回答这个问题,我们需要探讨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)其实是一个相当小众的细分领域。二十年之前,热设计通常是企业中的集中设计活动,配有热专家团队,成员主要是具有热传递知识背景的机械工程师,为所有业务部门提供热设计服务。当时,产品的机械部分(包括任何散热解决方案)与电子部分是独立进行设计的。那时的产品开发速度非常缓慢,因为大部分精力仍然放在产品的物理样机研究,用于纠正设计完成后可能出现的问题。但今天,热设计作为一个学科领域可能由负责某个产品设计的跨学科团队中由一个或多个成员来完成(具体视公司或行业情况而定)。

  对于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工作,也可以是兼职工作;他们可能是同时涉足产品机械的通才(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。由于其专业背景各异,可能需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,一定要因地制宜,不能一刀切。


  图 1:FloTHERM XT 的界面可提供全面的 MCAD 支持

  2. 不同的目标设计环境

  为什么当初热设计人员都来自机械或电气专业背景?部分原因在于历史上企业对热设计的一贯看法,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 设计流程的一部分,与主要的电子设计并行,尤其是设计用于标准插 架的产品时;在此情况下,承担热设计任务的则可能是电子工程师,习惯使用 EDA 工具,例如 Mentor 公司的Xpedition Enterprise [1]。此时,最好为他们提供基于 EDA的 仿真解决方案套件,例如 Mentor 公司的HyperLynx 产品,其中包含有热分析模块,当然还有设计规则检查、电源完整性、信号完整性、三维电磁以及模拟仿真等。


  图 2:HyperLynx 的热设计界面图片(其中显示的是热模型)

  而在另一方面,热设计可能被视为与产品机械设计部分并行,这一点在传统行业(例如汽车行业)较为普遍,因为这些产品中的电子成分一直增长缓慢,直到最近几年。在此情况下,承担热设计任务的则可能是汽车工程师、机械工程师或产品工程师,习惯在企业 PLM 环境下使用高端主流的 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,最好为他们提供直接嵌入在 MCAD 系统中的热设计解决方案,一来对他们轻车熟路,二来恰好与企业现有工作流程完美契合。Mentor 公司的三维计算流体动力学 (CFD) 分析解决方案 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,提供专门的支持模块用于电子散热和 LED 照明等应用。


  图 3:西门子 NX 界面图片(其中显示的是 FloEFD 热模型)

  从更广义的角度来看,热设计应位于上述主要 EDA 和 MCAD 设计流程之间的某个位置。承担热设计的人员可能是一个同时拥有机械和电子专业背景的混合人群,他们需要使用上述两种工具集生成的数据,但又对其运行知之甚少。对于这群人,独立运行且与上述主要设计流程进行无缝集成的解决方案应该是最佳选择。传统的 CFD 电子散热软件就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 和 FloTHERM PACK,并辅以FloMCAD.Bridge 、FloEDA.Bridge 和Command Center,提供最全面、最综合的工具集。


  图 4:FloEDA 桥接(其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

  我们已经了解工程师和设计环境对于热设计的有效运作会产生怎样的影响了。其实,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 软件一直用于分析研究产品的性能,主要原因是产品的设计时间相对较长,对安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。这些行业中电子设备的热设计当然也会受到这些因素的影响,关注重点降低元器件温度,留出充分的安全裕量,设计值往往低于其额定值以延长产品使用寿命。因此,设计人员花费大量设计精力用于增加散热系统的冗余,以致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,而且更换风扇可以在系统运行状态下进行。

  而对于今天的高量产消费类电子产品来说,成本和性能则成为主要决定因素。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,从概念设计到最后投产仅用数个月。尽量降低产品单位成本成为设计活动的主要目标,这就需要对设计空间进行仔细研究探索,确保选择最具成本效益的散热解决方案,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、通风口定位等)。有关这方面的更多讨论详见参考文献 [3-7]。这种独特而又具压倒性的要求(快速分析与设计空间探索)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 一直持续至今。这些解决方案将不同的 CFD 技术应用于传统的贴体式 CFD 程序,从而实现快速生成第一结果,而后则以更快的速度进行设计迭代。

  这种技术的一大关键优势是,对热模型的任何修改,包括几何尺寸更改、网格划分、解决方案以及对结果的后期处理等,可全部实现自动处理。这样就提供了一个其他无可匹敌的功能,既能够继续探索设计空间优化,同时又能释放宝贵的工程资源用于价值更高的活动。

  Mentor 公司的 FloTHERM 套件辅以 Command Center,可为用户提供基于空间填充用拉丁超立方体的计算机仿真试验设计 (DoCE)、顺序优化 (SO) 和响应面优化 (RSO) 等。其中采用 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一致(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 为中心的参数化研究。


  图 5:指挥中心场景表(其中显示的是已解决的设计以及 RSO 最佳结果和响应面)

  4. 适应现代技术的飞速发展

  产品设计小型化的总体趋势催生了日益凌乱和复杂的几何模型,加深了产品中机械成分与电子成分的紧密集成,其中最为典型的就是移动应用,代表产品包括智能手机和平板电脑等。

  设计小型化在产品级别的一个结果就是流动空间被大幅压缩,从而限制了对流散热的范围。这些小型空间会导致内部空气出现层流化流动,其湍流强度由槽壁生成的剪切力决定(同时影响着湍流生成与湍流阻尼),这实际上减少了捕捉湍流效应数值的需求。随着时间推移,空气中的升温对于 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要求日益提高:几何模型精度、材 料、表面特性捕获、表面间辐射以及(在某些应用中)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当严重的地步,其已成为电路板中的热源,在后期设计中不得不加以认真考虑。上述这些技术性变化将带来日益增长的需求,那就是将热模型与机械 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它们所描绘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信号传递和功率输出的铜皮功能相类似)则需要采用相应的、高水平的细节来呈现。


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

  5. 与设计工具集相集成

  随着机械与电气设计学科的逐渐融合,加上产品小型化的发展趋势,这就要求在一个设计流程中进行的更改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获得显著增强,可以使用三维视图、库和各类 DRC 选项(由 Mentor 公司的 Xpedition Enterprise VX 提供)。

  FloTHERM XT 内置了 MCAD 内核,可以导入利用前述所有主流 CAD 平台生成的原始 CAD 几何模型。经由FloTHERM XT 修改过的零件可以采用同一原始 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完好保留。

  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++ 解决方案联盟成员企业 [9]。功能包括对电路板外形进行编辑、对元器件进行转换、任意角度旋转、任意调整尺寸等,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工作流程有效保持一致的前提条件,但就其自身而言,这还远远不够。


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关键词: 物联网 PCB

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