FloTHERM XT電子熱設(shè)計軟件: 集成EDA和CAD設(shè)計流

坤道 2013-09-22

電子設(shè)備的主要熱源是半導(dǎo)體芯片，而芯片的熱敏感性對制冷技術(shù)形成挑戰(zhàn)。芯片過熱將導(dǎo)致其提前失效，而芯片的失效又將導(dǎo)致整個設(shè)備的故障。芯片溫度越高，將越早失效且更易出故障。由于芯片的功耗越來越大，所以其散熱性能被認為是制約電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵因素。采取合理的散熱技術(shù)將會避免關(guān)鍵元器件的過熱或失效。

電子行業(yè)中，從芯片的概念設(shè)計到其上市的時間遠遠短于傳統(tǒng)行業(yè)，某些行業(yè)領(lǐng)域甚至將其縮短至9個月，因為產(chǎn)品發(fā)布時間若延遲幾周，會嚴重影響到利潤。電子產(chǎn)品的熱仿真過程需要快速準確，并且能夠與復(fù)雜的設(shè)計過程相融合。通常其項目負責(zé)人并不是CFD流體力學(xué)領(lǐng)域的專家，他們不愿花太多時間學(xué)習(xí)詳細的CFD理論，以及從事復(fù)雜的網(wǎng)格劃分工作。
機械工程師通常要負責(zé)整套設(shè)備各方面的機械設(shè)計，并不僅僅限于PCB布局的電子設(shè)計。他們還將負責(zé)設(shè)備的外殼設(shè)計、各個PCB和元器件的合理布局，確保結(jié)構(gòu)的整體一致性和設(shè)備運轉(zhuǎn)的安全可靠性。散熱和冷卻設(shè)計雖然很關(guān)鍵，但只是他們所關(guān)心的眾多事情中的一件。

機械工程師需要和使用EDA軟件的電子設(shè)計工程師以及使用其他使用MDA的機械工程師合作。從概念設(shè)計到研究及優(yōu)化再到最終的驗證，整個產(chǎn)品設(shè)計過程都需要用到熱設(shè)計軟件。這些多樣性的需求對軟件的開發(fā)，尤其是對其界面、數(shù)據(jù)管理和集成有重要的意義。

    傳統(tǒng)上，基于CFD的熱設(shè)計軟件要求電子工程師有專業(yè)的熱設(shè)計和CFD技術(shù)背景。這些工程師仍然集中在電氣公司的核心部門；但是基于CFD的熱設(shè)計的需求范圍已經(jīng)擴展到包括電子工程師，機械設(shè)計工程師，工業(yè) 設(shè)計師和市場人員（如圖1所示）。
    因此，設(shè)計一款軟件變得更加具有挑戰(zhàn)性，其需要能夠進行用戶界面(UI)設(shè)計、幾何圖形預(yù)處理、CFD術(shù)語和功能的模糊處理、結(jié)果后處理，網(wǎng)格劃分及求解器計算，并能兼容機械設(shè)計例如CAD、CAE、EDA軟件等。
    通用CFD軟件遠不能滿足這些需求，因此用于優(yōu)化電子散熱設(shè)計的FloTHERM XT則就此產(chǎn)生。

熱設(shè)計：從概念設(shè)計到最終產(chǎn)品
    電子設(shè)備是由許多固體元部件組成（如PCB，電子封裝設(shè)備，電纜，風(fēng)扇和散熱器等）。氣流局限在元器件間的狹窄區(qū)域。除了對流，固體元件（具有極其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）間的傳導(dǎo)也很關(guān)鍵。熱分析會涉及大量的對象（有時數(shù)以千計），在等級方面也有巨大等級區(qū)分（從米到微米級別）。由于這些復(fù)雜性，對電子產(chǎn)品的熱仿真提出了前所未有的挑戰(zhàn)，包括幾何模型捕捉, 尺寸等級差異, 缺失數(shù) 據(jù)的不確定性(組件熱數(shù)據(jù), 功率損耗，材料性質(zhì)，層厚度，界面電阻), 過渡流態(tài), 網(wǎng)格生成, 硬件環(huán)境, 精度的增加。

幾何模型捕捉
在詳細設(shè)計中，幾何模型集合了EDA 和MDA設(shè)計流程。由于IC和PCB設(shè)計都是使用電路圖設(shè)計的，所以面臨的一個特殊挑戰(zhàn)是需處理EDA系統(tǒng)電子產(chǎn)品的二維示意圖。PCB設(shè)計工具只需了解PCB布局，無需了解元器件高度等最基本的幾何信息。關(guān)于芯片封裝內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的詳細信息通常是不需要的。

規(guī)模等級
    源于摩爾定律的小型化導(dǎo)致產(chǎn)品至內(nèi)部元器件及電路系統(tǒng)之間的尺寸差距加大。通常同一模型中包含從米到微米間的部件，并且管道中的小裂口同樣對電子散熱有重大影響。
    隨著規(guī)模差異隨時間逐漸增大，當(dāng)幾何模型不能直接在仿真過程中顯示時，將需要簡化模型，諸如針對多層 PCB中的單層PCB和IC封裝芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常未知。
缺失值
    電子散熱應(yīng)用面臨的另一個挑戰(zhàn)—缺失值。三維機械設(shè)計CAD系統(tǒng)缺少材料的屬性值，CFD仿真通常也會遇到這種問題。對于電子散熱應(yīng)用來說，系統(tǒng)是由來自多個供應(yīng)商提供的元器件組成的，這些元器件的熱特性信息通常不夠明確。
    這些元器件包括IC封裝、熱管、風(fēng)扇、制冷設(shè)備等。這些幾何模型部分來自于EDA系統(tǒng)，而EDA系統(tǒng)通常不包括所使用材料的任何信息。這就增加了電子系統(tǒng)裝備的復(fù)雜性，其中熱界面材料和導(dǎo)熱填隙的使用可以增進熱傳導(dǎo)以實現(xiàn)有效的散熱方案。
    大功耗器件利用其運行功率信息以預(yù)測其運行環(huán)境下的系統(tǒng)溫度，功率信息根據(jù)產(chǎn)品使用功能的不同而改變。當(dāng)元器件在最大功率時的穩(wěn)態(tài)運行條件下進行設(shè)計，將會導(dǎo)致過度設(shè)計，這是不可取的。越來越多地需要瞬態(tài)模擬以確保運行可靠和謹防過度設(shè)計。
氣流流態(tài)
    在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，強制冷卻氣流在通道中受到各種凸起元件（模塊）的阻礙而形成低雷諾數(shù)流動。而且沿著壁面流動的湍流并不能自身長期保持，當(dāng)在流過光滑的通道時會變成層流。因此湍流模擬是一個特殊的挑戰(zhàn)。在一個快速的設(shè)計環(huán)境中，由于大量氣流通道、器件以及系統(tǒng)滯留時間的存在，利用足夠細化的網(wǎng)格進行大渦模擬 (LES)是完全不現(xiàn)實的。
    直到近期，用標準雙方程雷諾傳輸定理模型實例開始被質(zhì)疑。零方程有效粘度模型通常加入測試湍流粘度，因為低網(wǎng)格密度通常引起單方程和雙方程模型預(yù)測的湍流粘度值比由經(jīng)驗數(shù)據(jù)和總體流動速度估計值還差（與測試值比較）。
    當(dāng)使用標準通用的壁函數(shù)處理（對數(shù)定律，van driest，1/7th冪律）時，單方程和兩方程模型的關(guān)鍵是優(yōu)化靠近表面的網(wǎng)格，以便為近壁網(wǎng)格提供y+值，實現(xiàn)至氣流中心部分的低度網(wǎng)格膨脹。在電子應(yīng)用中，邊界層位于元器件、 PCB板、散熱片等的前邊緣，導(dǎo)致大量邊界薄層在系統(tǒng)內(nèi)分解，所以不能遵循在y+的標準建議。如此, LVEL [3]是應(yīng)該選擇的模型。但是，電子散熱應(yīng)用的嵌入邊界處理就解決了這一問題。

網(wǎng)格生成
    雖然網(wǎng)格生成是CFD共有的基本屬性，但是對電子散熱來說仍然是一個挑戰(zhàn)，因為這一領(lǐng)域中有相當(dāng)數(shù)量的固體-液體和固體-固體界面的存在。幾何模型變化需要軟件全自動化處理，網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格超出預(yù)設(shè)范圍也需要軟件全自動化處理。
    如果對未封裝電子設(shè)備的外觀沒有審美要求，那么運用EDA系統(tǒng)對元器件和PCB進行二維設(shè)計的話，電子產(chǎn)品中會包含大量的笛卡爾乘積，因此CAD設(shè)計會采用笛卡爾網(wǎng)格劃分。但是，由于尺寸的限制，電子設(shè)計師在設(shè)計時需要在板上傾斜放置元器件，以某個傾斜度插入DIMM雙列直插內(nèi)存模塊，以及設(shè)計非笛卡爾剖面的散熱器。
    將物體上的笛卡爾網(wǎng)格應(yīng)用到解域的邊緣是不恰當(dāng)?shù)?，因為一旦詳細的結(jié)構(gòu)建模應(yīng)用到模型中時，會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)目激增。因此，運用笛卡爾網(wǎng)格對物體內(nèi)部和周圍進行局部網(wǎng)格細化是很普遍的，可以對非笛卡爾網(wǎng)格劃分的物體采用局部孔隙度和體素化的處理方法，大部分情況下精確度是可以接受的。
    隨著電子設(shè)備系統(tǒng)中非笛卡爾網(wǎng)格幾何模型的增多，需要采取復(fù)雜精密的網(wǎng)格劃分策略。近些年來，很多行業(yè) 在早期產(chǎn)品設(shè)計中，運用集成在MCAD系統(tǒng)中的CFD進行仿真，并越來越多地采用四面體網(wǎng)格劃分。產(chǎn)品設(shè)計過程是基于公司的三維機械CAD系統(tǒng)。
    在電子領(lǐng)域中，產(chǎn)品設(shè)計過程在公司間差異很大。集成CFD的MCAD系統(tǒng)可能不太常用，因為大部分產(chǎn)品的早期設(shè)計經(jīng)常在三維機械CAD環(huán)境之外，并且設(shè)計過程可能會圍繞公司的EDA工作流。
    因此，在設(shè)計獨立的產(chǎn)品中才能運用集成在MCAD系統(tǒng)中的CFD進行仿真。
硬件環(huán)境
    一般來說，熱設(shè)計和電子設(shè)計是同步進行的。高性能計算(HPC)設(shè)備在散熱領(lǐng)域的CFD應(yīng)用遠不及在其他工業(yè) 領(lǐng)域的應(yīng)用；例如在汽車行業(yè)，HPC被廣泛用來高精度仿真LES，以解決產(chǎn)品設(shè)計方面的困難，如空氣聲學(xué)。但是在電子散熱領(lǐng)域，仿真精度的提高并不一定能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品質(zhì)量的提高。仿真模型的質(zhì)量經(jīng)常受制于輸入數(shù)據(jù)的不確定性。
    到目前為止，適當(dāng)升級到8-16核的高端設(shè)備性能已經(jīng)可以滿足市場需求。共用存儲器節(jié)點的良好擴展極有可能仍是硬件性能提升的目標。硬件環(huán)境會發(fā)生從桌面電腦系統(tǒng)到云計算的變化，它將運用實驗技術(shù)的數(shù)字設(shè)計極大促進空間設(shè)計探究。

增強精度
    由于設(shè)計余量的減小，仿真精度需要提升。但是這并不是說需要高保真度的CFD。事實上，自從21世紀初，隨著封裝技術(shù)和外殼模具水平的提高，大功率和高功率密度模塊得以實現(xiàn)，例如PCB。這跟精確度有何關(guān)聯(lián)？從周圍環(huán)境到結(jié)點的容許溫升并未增大，但是隨著封裝內(nèi)部功率密度的增加（如PCB等），使用環(huán)境的溫升比例正在逐漸減小。另一方面，固體結(jié)構(gòu)內(nèi)熱傳導(dǎo)模擬的重要性逐漸增加。這也說明為何要注重MCAD集成（如散熱器設(shè)計），更要注重EDA集成，以便準確獲取PCB信息（影響到焦耳熱的傳導(dǎo)、功耗和接地層），準確測量熱界面材料（特別是不能用基于ASTM D5470設(shè)備測試的柔性材料I和II）的熱傳導(dǎo)率。

如何處理電子產(chǎn)品的熱設(shè)計挑戰(zhàn)
    電子散熱領(lǐng)域的CFD軟件——FloTHERM XT, 可用于解決這些挑戰(zhàn)。FloTHERM XT的SmartPart技術(shù)能夠使復(fù)雜封裝設(shè)備的仿真更為容易，尤其是對LED照明、消費電子、航空/國防以及汽車設(shè)計領(lǐng)域的工程師來說。
    在一些通用的CFD軟件中，網(wǎng)格劃分會占用大量的時間和精力，尤其是當(dāng)它出錯時更為麻煩。大多數(shù)機械工程師直接使用軟件自帶的全自動網(wǎng)格劃分設(shè)置，但為了提高精度，需要有手工設(shè)置定義的功能。因此需要更為精密的網(wǎng)格劃分策略。FloTHERM XT中的先進代碼提供基于對象的半自動化算法，能夠適應(yīng)自動網(wǎng)格劃分，也可使有經(jīng)驗的CFD熱仿真工程師自由使用和手動控制。
    FloTHERM XT使用高穩(wěn)定性的數(shù)值方法和半自動控制結(jié)果收斂的控制方案（只需要少許人工干預(yù)）。
    對電子散熱應(yīng)用來說，湍流模擬很少成為導(dǎo)致結(jié)果錯誤的最主要原因。導(dǎo)致結(jié)果錯誤的主要原因有可能是功率消耗，材料屬性，氣流速率或界面電阻。但是，一些針對性的專門設(shè)計還是要考慮到湍流。FloTHERM XT的CFD 解決方案會提供最合適的模型，但只在特殊的情況下提供備選方案。FloTHERM XT可提供層流、過渡流和湍流，但是會對湍流的選擇進行控制以避免混淆。FloTHERM XT利用了結(jié)合侵入邊界處理的通用兩方程模型, 實現(xiàn)不同流態(tài) 間轉(zhuǎn)換的近壁處效果，并得到適于電子應(yīng)用的優(yōu)秀基準測試結(jié)果。

用戶界面多樣性
FloTHERM XT可供三維機械CAD工程師和熱專家用于電子散熱領(lǐng)域熱模型的快速建立。FloTHERM XT包含一流的CAD界面工具箱和幾何引擎，其中一個簡單的選項即可實現(xiàn)全法或縮減法運行軟件，這些可以更多地滿足應(yīng)用此工具的工程師的需求。其中縮減法是一個控制開關(guān)，可模糊許多不常用的功能和工具欄，由此可減少功能膨脹，方便未接受過CAD訓(xùn)練的人使用。
設(shè)計過程中心
FloTHERM XT提供的設(shè)計環(huán)境可快速改變器件的幾何模型并生成仿真結(jié)果。FloTHERM XT能夠適應(yīng)電子公司中復(fù)雜的機械設(shè)計環(huán)境和相關(guān)過程。在FloTHERM XT中，輸入的CAD模型以及其內(nèi)部生成的幾何模型函數(shù)可無縫結(jié)合在一起，以促使供應(yīng)鏈集成并可使產(chǎn)品從早期概念設(shè)計到最終產(chǎn)品驗證都在機械設(shè)計流中完成(如圖2所示）。

MDA和 EDA設(shè)計流通過 FloTHERM XT.相互聯(lián)系
FloTHERM XT采用了這種最優(yōu)設(shè)計流程并盡早降低了熱設(shè)計方面的風(fēng)險。FloTHERM XT可以將固體模型和本地鏈接并入到最常見的EDA設(shè)計套件中去，如此便通過一個簡單或復(fù)雜的3D產(chǎn)品模型的創(chuàng)建就幫助公司將機械設(shè)計和電子設(shè)計密切結(jié)合，此過程實現(xiàn)了MDA和

EDA系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)計同步進行。 FloTHERM XT能幫助公司進一步縮短設(shè)計時間，降低成本和項目實施風(fēng)險。其獨特的EDA界面功能設(shè)置(FloEDA Bridge)及其最新功能，可使其與最新的EDA設(shè)計變化保持同步（如圖3所示）。

                                    FloTHERM XT 和EDA工具通過接口相接合.
    FloTHERM XT可對產(chǎn)品在概念設(shè)計階段直到實施階段進行仿真。可用較少的迭代糾正后期過程中的設(shè)計錯誤，并不斷向前進步，以減少產(chǎn)品市場投放的時間。
    FloTHERM XT是款獨特的軟件，可供設(shè)計工程師和散熱專家使用；從而，其實驗變化可被快速驗證或消除，以此可產(chǎn)生更多的假設(shè)，促使更具競爭力的產(chǎn)品產(chǎn)生。FloTHERM XT減少了對熱設(shè)計專家的依賴，并彌補了EDA 和MDA之間的差距。

FloTHERM XT與PCB設(shè)計工具直接集成，避免了易錯且耗時的轉(zhuǎn)移過程。PCB數(shù)據(jù)經(jīng)過濾后（例如，對于非散熱元件來說），可減少計算時間，并且過濾設(shè)置被存儲。
FloTHERM XT具有友好的界面，能夠自動進行網(wǎng)格劃分和收斂，模型構(gòu)建以及最復(fù)雜系統(tǒng)的有效模擬。相比通用CFD解決方案，F(xiàn)loTHERM XT可大大減少熱仿真（如圖4所示）的時間。

案例分析
這個FloTHERM XT案例是針對一種新型壁掛式網(wǎng)絡(luò)盒的從概念到原型的設(shè)計。此項方案要求重新安置通風(fēng)口，并按工業(yè)市場部人員的要求設(shè)計風(fēng)格化外殼和能使功率擴散增加30%的主電路板。
第一步的概念設(shè)計階段包括創(chuàng)建一個包含PCB和元器件的盒子模型，以及一個針對整體散熱方案和關(guān)鍵元器件溫度的初始評估模型(如圖5所示)。

然后設(shè)計逐步升級到一個完整的系統(tǒng)模型設(shè)計,此系統(tǒng)模型設(shè)計包含針對封裝設(shè)備和所需散熱器的三維機械CAD設(shè)計。增加界面熱阻，并且使用布局布線工具expedition通過EDA 輸入整個電路板布局圖(如圖6所示)。
當(dāng)具備更多明確信息時，元器件模擬也會升級。熱模型可利用軟件內(nèi)的庫交換和過濾支持，從簡易的塊式元件模型升級到復(fù)雜的2-Resistor [4]模型, DELPHI [5]模型或高細節(jié)模型（如圖7所示）。

通常在原型和最終產(chǎn)品的整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，關(guān)于MCAD和EDA的數(shù)據(jù)都可被保存和追溯查詢，如圖8所示。
FloTHERM XT內(nèi)置生成報表功能，可以導(dǎo)出包含項目數(shù)據(jù)、結(jié)果信息和相關(guān)截圖的word、pdf和 html格式的文件。報表是完全可自行配置的，因此范圍內(nèi)的、邊緣的、超出范圍的元器件溫度可用不同的顏色表示，如圖9所示。這項功能大大減少了機械設(shè) 計工程師和電子設(shè)計工程師收到報表的反饋時間，加快了決策進程。

總結(jié)
自從FloTHERM產(chǎn)品發(fā)布后，熱設(shè)計工程師所面臨的挑戰(zhàn)已發(fā)生變化，功率消耗增加，產(chǎn)品日趨小型化，布局也日趨緊密。設(shè)計的復(fù)雜性使EDA和MDA設(shè)計流程之間的聯(lián)系變得緊密，這促使熱設(shè)計工程師采用未簡化的系統(tǒng)內(nèi)原始幾何模型，以構(gòu)建最切合實際的模型，減少變型設(shè)計的分析時間和增強結(jié)果的準確度。這些變化會影響工程師的人員構(gòu)成和技術(shù)體系，同時對軟件的易用性、幾何處理和基本的CFD技術(shù)也會產(chǎn)生影響。FloTHERM XT 可以為各類設(shè)計工程師和各級別的技術(shù)專家提供支持，為早期的產(chǎn)品設(shè)計和后期的設(shè)計驗證提供幫助，為精心制定的設(shè)計方案提供最優(yōu)模型，為機械設(shè)計流和電子設(shè)計流的集成提供良好環(huán)境。

網(wǎng)格生成
    雖然網(wǎng)格生成是CFD共有的基本屬性，但是對電子散熱來說仍然是一個挑戰(zhàn)，因為這一領(lǐng)域中有相當(dāng)數(shù)量的固體-液體和固體-固體界面的存在。幾何模型變化需要軟件全自動化處理，網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格超出預(yù)設(shè)范圍也需要軟件全自動化處理。
    如果對未封裝電子設(shè)備的外觀沒有審美要求，那么運用EDA系統(tǒng)對元器件和PCB進行二維設(shè)計的話，電子產(chǎn)品中會包含大量的笛卡爾乘積，因此CAD設(shè)計會采用笛卡爾網(wǎng)格劃分。但是，由于尺寸的限制，電子設(shè)計師在設(shè)計時需要在板上傾斜放置元器件，以某個傾斜度插入DIMM雙列直插內(nèi)存模塊，以及設(shè)計非笛卡爾剖面的散熱器。
    將物體上的笛卡爾網(wǎng)格應(yīng)用到解域的邊緣是不恰當(dāng)?shù)模驗橐坏┰敿毜慕Y(jié)構(gòu)建模應(yīng)用到模型中時，會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)目激增。因此，運用笛卡爾網(wǎng)格對物體內(nèi)部和周圍進行局部網(wǎng)格細化是很普遍的，可以對非笛卡爾網(wǎng)格劃分的物體采用局部孔隙度和體素化的處理方法，大部分情況下精確度是可以接受的。
    隨著電子設(shè)備系統(tǒng)中非笛卡爾網(wǎng)格幾何模型的增多，需要采取復(fù)雜精密的網(wǎng)格劃分策略。近些年來，很多行業(yè) 在早期產(chǎn)品設(shè)計中，運用集成在MCAD系統(tǒng)中的CFD進行仿真，并越來越多地采用四面體網(wǎng)格劃分。產(chǎn)品設(shè)計過程是基于公司的三維機械CAD系統(tǒng)。
    在電子領(lǐng)域中，產(chǎn)品設(shè)計過程在公司間差異很大。集成CFD的MCAD系統(tǒng)可能不太常用，因為大部分產(chǎn)品的早期設(shè)計經(jīng)常在三維機械CAD環(huán)境之外，并且設(shè)計過程可能會圍繞公司的EDA工作流。
    因此，在設(shè)計獨立的產(chǎn)品中才能運用集成在MCAD系統(tǒng)中的CFD進行仿真。
硬件環(huán)境
    一般來說，熱設(shè)計和電子設(shè)計是同步進行的。高性能計算(HPC)設(shè)備在散熱領(lǐng)域的CFD應(yīng)用遠不及在其他工業(yè) 領(lǐng)域的應(yīng)用；例如在汽車行業(yè)，HPC被廣泛用來高精度仿真LES，以解決產(chǎn)品設(shè)計方面的困難，如空氣聲學(xué)。但是在電子散熱領(lǐng)域，仿真精度的提高并不一定能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品質(zhì)量的提高。仿真模型的質(zhì)量經(jīng)常受制于輸入數(shù)據(jù)的不確定性。
    到目前為止，適當(dāng)升級到8-16核的高端設(shè)備性能已經(jīng)可以滿足市場需求。共用存儲器節(jié)點的良好擴展極有可能仍是硬件性能提升的目標。硬件環(huán)境會發(fā)生從桌面電腦系統(tǒng)到云計算的變化，它將運用實驗技術(shù)的數(shù)字設(shè)計極大促進空間設(shè)計探究。