6. 為散熱技術(shù)提供支持

　　產(chǎn)品小型化趨勢(shì)同樣對(duì)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(tái)式機(jī)上傳統(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)熱墊也常見(jiàn)用于空間受限的設(shè)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(shè)計(jì)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(jì)在尋求復(fù)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(gòu)元器件，他們雖然在 EDA 設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須將其納入設(shè)計(jì)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(zhǎng)長(zhǎng)一根細(xì)管子，可任意彎 曲，也可根據(jù)需要進(jìn)行擠壓;但它的表現(xiàn)會(huì)影響系統(tǒng)性能，因此，對(duì)于熱管是否按預(yù)期發(fā)揮作用應(yīng)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(cè)量。散熱器通常形狀復(fù)雜，需要供應(yīng)商以 CAD 模型形式提供詳細(xì)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(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(jì)算風(fēng)扇與系統(tǒng)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(tǒng)采用軸流風(fēng)扇時(shí)，電子散熱 CFD 工具應(yīng)能正確分析確定非軸向元器件對(duì)空氣流動(dòng)的影響。這一點(diǎn)在系統(tǒng)流動(dòng)阻力居高不下時(shí)非常重要，會(huì)減少系統(tǒng)中的空氣流量。

　　圖 7：T3Ster 測(cè)量值確認(rèn)了瞬態(tài)熱管性能

　　7. 處理長(zhǎng)度規(guī)模的范圍

　　電子系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特之處是其所包含的長(zhǎng)度規(guī)模范圍，從芯片表面的納米到數(shù)據(jù)中心機(jī)架的米，共分九級(jí)。這對(duì)任何 CAE 工具來(lái)說(shuō)都是不小的挑戰(zhàn)，對(duì)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(shí)也不可取。部分原因是，雖然仿真分析可以在某些方面對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)熱性能帶來(lái)災(zāi)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(jí)別，直至詳細(xì)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(gòu)建和設(shè)計(jì)空間探索的速度(特別是在設(shè)計(jì)初期)，并可以隨著設(shè)計(jì)流程的深入對(duì)模型快速進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。

　　在后期設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要將產(chǎn)品各個(gè)方面的幾何模型細(xì)節(jié)納入到設(shè)計(jì)模型中以獲得高保真的仿真結(jié)果，例如詳細(xì)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(xì)模型、以及所用任何散熱器的詳細(xì)模型。許多公司在各個(gè)不同的封裝級(jí)別都采用傳統(tǒng)的 V 模型來(lái)進(jìn)行熱模型的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證，這樣可以在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中建立對(duì)模型的信心(圖 8)，當(dāng)然，公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)通常并不涉及所有這些封裝級(jí)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(jì) V 模型

　　與設(shè)計(jì)工具集進(jìn)行緊密集成就意味著后期設(shè)計(jì)中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細(xì)幾何模型可以在熱分析軟件中與前期構(gòu)建的模型進(jìn)行交換，從而為前期的概念設(shè)計(jì)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(jì)的逐步細(xì)化而進(jìn)行無(wú)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(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(xì)節(jié)級(jí)別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，原先用于電子散熱應(yīng)用的笛卡爾方法(因?yàn)橹敖５膸缀文Ｐ屯八乃姆椒健?現(xiàn)已被擴(kuò)展用于準(zhǔn)確捕捉非笛卡爾幾何模型。傳統(tǒng) CFD 方法是對(duì)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(shí)直接構(gòu)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(dú)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(duì)實(shí)體或是實(shí)體對(duì)流體，因而可以捕捉到復(fù)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(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(fù)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(xì)化熱模型的物理表現(xiàn)形式時(shí)所需要的東西，以及如何對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)備用于高效的熱仿真，從而與設(shè)計(jì)中的變更保持同步。對(duì)熱模型進(jìn)行及時(shí)更新以反映主要設(shè)計(jì)流程中的最新變化，這對(duì)于及時(shí)做出設(shè)計(jì)決策、避免設(shè)計(jì)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(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(dǎo)入，格式通常為 CSV 文件，其中采用位號(hào)來(lái)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(dòng)更新。在相關(guān)細(xì)節(jié)的最精細(xì)級(jí)別，詳細(xì)的封裝模型可能需要一整套芯片級(jí)功率映射來(lái)對(duì)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(píng)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(wěn)態(tài)的熱設(shè)計(jì)功率)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，讓不同專(zhuān)業(yè)(電氣設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì))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(dú)特，是因?yàn)槠浯嬖诙喾N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(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(fēng)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(chǔ)于單個(gè)零件中，必將大幅減少構(gòu)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(shè)計(jì)構(gòu)建模型的方法外，還需要能夠輕松處理設(shè)計(jì)中可以重復(fù)使用的元器件，例如底板。在現(xiàn)有底板上安裝一個(gè)新電路板應(yīng)該不難，這一流程現(xiàn)通過(guò)庫(kù)功能獲得了極大增強(qiáng)。

　　FloTHERM 自 1989 年首次發(fā)布以來(lái)，始終提供將所有相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一個(gè)零件中的功能，且內(nèi)置有支持拖放操作的元件庫(kù)，可以導(dǎo)入/導(dǎo)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(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(dǎo)體供應(yīng)商、封裝工廠(chǎng)、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(xiàng)目數(shù)據(jù)導(dǎo)入，既可作為組件也可項(xiàng)目PDML 導(dǎo)入，此外還支持對(duì)企業(yè)內(nèi)部或外部供應(yīng)鏈中的舊項(xiàng)目數(shù)據(jù)加以利用。

　　Mentor Graphics 提供用于 IC 與功率半導(dǎo)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(jì)軟件中使用的模型，支持對(duì)各種材料(粘合膠、膏劑、熱學(xué)界面材料等)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。其中一個(gè)功能就是生成精確度無(wú)與倫比的詳細(xì)熱模型，即按照實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)熱模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整直至完全匹配(如圖 9 所示)。在樣機(jī)驗(yàn)證階段，還可對(duì)這一功能進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，確保熱模型在電路板和系統(tǒng)級(jí)別的保真度。這些硬件解決方案可與Mentor 的熱設(shè)計(jì)軟件完美集成，提供經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證的熱模型在設(shè)計(jì)中使用和重復(fù)使用的范圍。主動(dòng)式功率

　　循環(huán)設(shè)備可同時(shí)支持對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域。

　　圖 10：采用 T3Ster 生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)封裝模型進(jìn)行校準(zhǔn)

　　9. 對(duì)不確定性因素的處理

　　在熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)就是確定模型中有哪些不確定因素對(duì)關(guān)鍵器件溫度的影響最大。我們之前討論過(guò)將參數(shù)研究、數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)和優(yōu)化等應(yīng)用于確定性設(shè)計(jì)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(dòng)化方法也可用于確定熱設(shè)計(jì)對(duì)于制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的隨機(jī)變化情況的應(yīng)對(duì)能力。

　　對(duì)上述因素的評(píng)估完成后，我們就可以將精力集中于對(duì)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方式包括對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)更改和獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于仿真研究。當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展前沿是使用測(cè)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(jì)所需的總時(shí)間減少 60%，將熱設(shè)計(jì)所需的精力成本降低 60%，最后實(shí)現(xiàn)的模型保真度可將升溫預(yù)測(cè)誤差控制在 5% 以?xún)?nèi)。這種方法完全顛覆了以往在設(shè)計(jì)完成后使用物理樣機(jī)來(lái)更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的傳統(tǒng)做法，而是使用測(cè)量值來(lái)確保熱模型所涉元器件的應(yīng)用有效性，從而可將 90% 的時(shí)間、精力和成本用于虛擬樣機(jī)驗(yàn)證，在熱設(shè)計(jì)完成后幾乎不需要進(jìn)行物理樣機(jī)驗(yàn)證。

　　熱設(shè)計(jì)效率的預(yù)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(shè)計(jì)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(yīng)對(duì)壓縮設(shè)計(jì)裕量的壓力。如果使用可與實(shí)際設(shè)計(jì)流程同步的熱設(shè)計(jì)解決方案，就可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)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(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(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(wèn)題的一個(gè)方面。采用 FloTHERM XT，可對(duì)任何來(lái)自 MCAD 或 EDA 設(shè)計(jì)流程的模型進(jìn)行相應(yīng)更新，同時(shí)保留其原有設(shè)置用于處理其原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，只需數(shù)分鐘，模型既可自動(dòng)進(jìn)行重新劃分網(wǎng)格，用于后續(xù)流程。

　　對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行報(bào)告，向項(xiàng)目利益相關(guān)方(包括項(xiàng)目業(yè)主、工程總監(jiān)、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)及其他相關(guān)人員)分享信息，這是一項(xiàng)最基本、但又常耗時(shí)費(fèi)力的工作。撰寫(xiě)長(zhǎng)篇大論向決策者們闡述某項(xiàng)設(shè)計(jì)更改合理性的日子一去不復(fù)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(jié)，包括報(bào)告生成。專(zhuān)業(yè)的工具會(huì)清楚知道哪一類(lèi)結(jié)果可以影響決策(例如 Tc 和 Tj)，然后不遺余力地報(bào)告這些結(jié)果。此外，可能還會(huì)向非專(zhuān)業(yè)人士指出改進(jìn)設(shè)計(jì)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(tǒng)空氣流動(dòng)的想像圖與實(shí)際圖 €€ 反向氣流已標(biāo)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(jì)人員了解哪些變量會(huì)影響設(shè)計(jì)而哪些不會(huì)，并根據(jù)對(duì)這些變量的對(duì)比分析預(yù)測(cè)出最佳組合方案。RSO 還可以針對(duì)由 DoE 生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，按不同的成本(或目標(biāo))函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　電子產(chǎn)品的復(fù)雜性與日俱增，降低設(shè)計(jì)裕量就需要采用針對(duì)具體“使用案例”的瞬態(tài)仿真來(lái)提高設(shè)計(jì)精確性，摒棄以往采用假設(shè)保守的功率估算進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)仿真。功率密度也隨著各封裝級(jí)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(zhǔn)確的解決方案，允許必要的設(shè)計(jì)空間研究，從而讓最終產(chǎn)品既具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，又確保性能可靠性。熱設(shè)計(jì)仿真所用技術(shù)的選擇、所選解決方案對(duì)企業(yè)現(xiàn)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。