电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题

　　6. 为散热技术提供支持

　　产品小型化趋势同样对散热技术的选择产生影响。前些年，由于笔记本电脑中的空间有限，人们放弃使用台式机上传统的轴流风扇，改用离心风扇进行散热，同时采用热管技术将热量从 CPU 所在的中心位置引导至位于离心风扇下游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，合成射流技术也有使用，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，液冷技术的应用也日益增加。FloTHERM XT 可以轻松处理上述所有散热解决方案，因而是电子设备系统设计在寻求复杂几何形状散热解决方案时的理想工具选择。风扇、散热器、热管等散热解决方案通常是外购元器件，他们虽然在 EDA 设计工具中不发挥任何功能性作用，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。

　　热管或许是个最简单的例子，从外表看它不过是长长一根细管子，可任意弯 曲，也可根据需要进行挤压;但它的表现会影响系统性能，因此，对于热管是否按预期发挥作用应进行检查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 热特征提取硬件即可进行相关测量。散热器通常形状复杂，需要供应商以 CAD 模型形式提供详细的几何尺寸。电子散热 CFD 工具须能够导入任意格式的 CAD 模型。风扇需要提供风扇曲线，给出压降与流速的关系特征以便正确计算风扇与系统中空气流动阻力之间的相互作用。另外一个关键点是，如果系统采用轴流风扇时，电子散热 CFD 工具应能正确分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重要，会减少系统中的空气流量。

　　图 7：T3Ster 测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心机架的米，共分九级。这对任何 CAE 工具来说都是不小的挑战，对于那些使用贴体网格的工具尤其如此。

　　将所有一切都纳入模型既不现实也不可取。部分原因是，虽然仿真分析可以在某些方面对优化设计提供最大帮助，但其中很多信息仍不为人所知。例如，PCB 布线一般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难性影响。

　　通常的做法是使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 套件采用 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度(特别是在设计初期)，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，经常需要将产品各个方面的几何模型细节纳入到设计模型中以获得高保真的仿真结果，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用传统的 V 模型来进行热模型的设计、实现及验证，这样可以在整个开发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通常并不涉及所有这些封装级别。

　　图 8：Mentor 公司的热仿真与特征提取解决方案映射成的电子设计 V 模型

　　与设计工具集进行紧密集成就意味着后期设计中由 EDA 和 MCAD 生成的详细几何模型可以在热分析软件中与前期构建的模型进行交换，从而为前期的概念设计和相关研究提供支持;然后，相关更新可随着 EDA 和MCAD 设计的逐步细化而进行无缝应用。我们现在将注意力转向将这些信息应用于热分析时都需要哪些条件。

　　从网格划分的时间成本来看，采用贴体 CFD 网格来捕捉这一细节级别并提供所需的全耦合热传递仿真支持，显然是不现实的。因此，原先用于电子散热应用的笛卡尔方法(因为之前建模的几何模型往往“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，然后生成网格单元，每个单元都作为一个控制体传输给 CFD 求解器，而我们则采用与此不同的方法，就是使用每个网格单元中几何模型的知识直接构建各种控制体，不必作进一步的网格划分。

　　FloTHERM XT 就是采用这一独特方法，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结构及多流通道，例如位于散热器翅片之间的通道。

　　图 9：多曲线散热器翅片 €€ 采用多控制体在粗八叉树网格上捕捉

　　8. 使用和重复使用已存在的数据

　　我们迄今已经讨论了构建和细化热模型的物理表现形式时所需要的东西，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映主要设计流程中的最新变化，这对于及时做出设计决策、避免设计返工、加速产品投产进程来说至关重要。

　　除了几何模型之外，热仿真还需要各种其他信息，特别是(种类繁多)产品材料的热数据以及元器件的功耗信息。因此，功率数据可能需要从功率估算工具导入，格式通常为 CSV 文件，其中采用位号来表示热模型中的元器件，这些数值需要随着功率估算的变化而自动更新。在相关细节的最精细级别，详细的封装模型可能需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，其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“使用案例”或

　　实际功率状态(而非使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)工程师之间的工作流程优化显得尤为重要。

　　电子散热模型之所以独特，是因为其存在多种需要实施的“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)、网格要求以及(如果有风扇)性能数据和内置行为模型等。如果能够将所有这一切都存储于单个零件中，必将大幅减少构建模型所需的时间。

　　电子散热工具除了能够提供一种轻松为创新设计构建模型的方法外，还需要能够轻松处理设计中可以重复使用的元器件，例如底板。在现有底板上安装一个新电路板应该不难，这一流程现通过库功能获得了极大增强。

　　FloTHERM 自 1989 年首次发布以来，始终提供将所有相关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/导出完整模型、各种组件以及单个元器件，所有这一切均包含其相关的材料特性及其他数据。该软件被电子设备供应链广泛采用，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传递各种热模型。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 提供用于 IC 与功率半导体设备的热特征提取硬件，可创建适合在任何热设计软件中使用的模型，支持对各种材料(粘合胶、膏剂、热学界面材料等)导热系数进行测量。其中一个功能就是生成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整直至完全匹配(如图 9 所示)。在样机验证阶段，还可对这一功能进行扩展应用，确保热模型在电路板和系统级别的保真度。这些硬件解决方案可与Mentor 的热设计软件完美集成，提供经过全面验证的热模型在设计中使用和重复使用的范围。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要求极高的应用领域。

　　图 10：采用 T3Ster 生成的结构函数对封装模型进行校准

　　9. 对不确定性因素的处理

　　在热设计过程中，与材料特性和功率相关的一个常见困难是这些因素在模型所用值的不确定性。这一不确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。

　　热设计的一项重要任务就是确定模型中有哪些不确定因素对关键器件温度的影响最大。我们之前讨论过将参数研究、数值实验设计技术和优化等应用于确定性设计空间探索的大环境下，以降低产品成本，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于制造过程中可能出现的随机变化情况的应对能力。

　　对上述因素的评估完成后，我们就可以将精力集中于对设计中的相关问题进行改进，改进方式包括对设计进行相应更改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使用测量值为仿真流程提供支持[12]，此举已被证明能够将完成热设计所需的总时间减少 60%，将热设计所需的精力成本降低 60%，最后实现的模型保真度可将升温预测误差控制在 5% 以内。这种方法完全颠覆了以往在设计完成后使用物理样机来更正设计错误的传统做法，而是使用测量值来确保热模型所涉元器件的应用有效性，从而可将 90% 的时间、精力和成本用于虚拟样机验证，在热设计完成后几乎不需要进行物理样机验证。

　　热设计效率的预期变化

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

　　10. 压缩设计时间与裕量

　　Denso 公司的例子(图 11)说明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。如果使用可与实际设计流程同步的热设计解决方案，就可以大幅减少设计时间。

　　与基于贴体网格的解决方案相比，这里从模型构建到结果分析的整个流程至少可以压缩 50%(如图 12 所示)。这里很大程度上是去除了生成网格所需的 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时间(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。采用 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，向项目利益相关方(包括项目业主、工程总监、产品营销及其他相关人员)分享信息，这是一项最基本、但又常耗时费力的工作。撰写长篇大论向决策者们阐述某项设计更改合理性的日子一去不复返了。使用优秀的工具可以压缩整个流程中的每个环节，包括报告生成。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(例如使用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 专利技术 [13])。这些技术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 提供 [14])

　　他们可能还提供响应面优化 (RSO) 功能，可帮助设计人员了解哪些变量会影响设计而哪些不会，并根据对这些变量的对比分析预测出最佳组合方案。RSO 还可以针对由 DoE 生成的实验结果数据，按不同的成本(或目标)函数对设计进行优化，从而大幅节省设计时间。

　　结束语

　　电子产品的复杂性与日俱增，降低设计裕量就需要采用针对具体“使用案例”的瞬态仿真来提高设计精确性，摒弃以往采用假设保守的功率估算进行的稳态仿真。功率密度也随着各封装级别外形尺寸的缩小而与不断增加。从降低成本的角度考虑，就需要用更少的时间提出更加准确的解决方案，允许必要的设计空间研究，从而让最终产品既具有成本竞争力，又确保性能可靠性。热设计仿真所用技术的选择、所选解决方案对企业现有工作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。