FloTHERM XT電子熱設計軟件: 集成EDA和CAD設計流

坤道 2013-09-22

電子設備的主要熱源是半導體芯片，而芯片的熱敏感性對制冷技術形成挑戰。芯片過熱將導致其提前失效，而芯片的失效又將導致整個設備的故障。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備發展的關鍵因素。采取合理的散熱技術將會避免關鍵元器件的過熱或失效。

電子行業中，從芯片的概念設計到其上市的時間遠遠短于傳統行業，某些行業領域甚至將其縮短至9個月，因為產品發布時間若延遲幾周，會嚴重影響到利潤。電子產品的熱仿真過程需要快速準確，并且能夠與復雜的設計過程相融合。通常其項目負責人并不是CFD流體力學領域的專家，他們不愿花太多時間學習詳細的CFD理論，以及從事復雜的網格劃分工作。
機械工程師通常要負責整套設備各方面的機械設計，并不僅僅限于PCB布局的電子設計。他們還將負責設備的外殼設計、各個PCB和元器件的合理布局，確保結構的整體一致性和設備運轉的安全可靠性。散熱和冷卻設計雖然很關鍵，但只是他們所關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。從概念設計到研究及優化再到最終的驗證，整個產品設計過程都需要用到熱設計軟件。這些多樣性的需求對軟件的開發，尤其是對其界面、數據管理和集成有重要的意義。

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

熱設計：從概念設計到最終產品
    電子設備是由許多固體元部件組成（如PCB，電子封裝設備，電纜，風扇和散熱器等）。氣流局限在元器件間的狹窄區域。除了對流，固體元件（具有極其復雜的內部結構）間的傳導也很關鍵。熱分析會涉及大量的對象（有時數以千計），在等級方面也有巨大等級區分（從米到微米級別）。由于這些復雜性，對電子產品的熱仿真提出了前所未有的挑戰，包括幾何模型捕捉, 尺寸等級差異, 缺失數據的不確定性(組件熱數據, 功率損耗，材料性質，層厚度，界面電阻), 過渡流態, 網格生成, 硬件環境, 精度的增加。

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

規模等級
    源于摩爾定律的小型化導致產品至內部元器件及電路系統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。
    隨著規模差異隨時間逐漸增大，當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，其內部結構通常未知。
缺失值
    電子散熱應用面臨的另一個挑戰—缺失值。三維機械設計CAD系統缺少材料的屬性值，CFD仿真通常也會遇到這種問題。對于電子散熱應用來說，系統是由來自多個供應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、風扇、制冷設備等。這些幾何模型部分來自于EDA系統，而EDA系統通常不包括所使用材料的任何信息。這就增加了電子系統裝備的復雜性，其中熱界面材料和導熱填隙的使用可以增進熱傳導以實現有效的散熱方案。
    大功耗器件利用其運行功率信息以預測其運行環境下的系統溫度，功率信息根據產品使用功能的不同而改變。當元器件在最大功率時的穩態運行條件下進行設計，將會導致過度設計，這是不可取的。越來越多地需要瞬態模擬以確保運行可靠和謹防過度設計。
氣流流態
    在復雜的電子系統中，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流動。而且沿著壁面流動的湍流并不能自身長期保持，當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。在一個快速的設計環境中，由于大量氣流通道、器件以及系統滯留時間的存在，利用足夠細化的網格進行大渦模擬 (LES)是完全不現實的。
    直到近期，用標準雙方程雷諾傳輸定理模型實例開始被質疑。零方程有效粘度模型通常加入測試湍流粘度，因為低網格密度通常引起單方程和雙方程模型預測的湍流粘度值比由經驗數據和總體流動速度估計值還差（與測試值比較）。
    當使用標準通用的壁函數處理（對數定律，van driest，1/7th冪律）時，單方程和兩方程模型的關鍵是優化靠近表面的網格，以便為近壁網格提供y+值，實現至氣流中心部分的低度網格膨脹。在電子應用中，邊界層位于元器件、 PCB板、散熱片等的前邊緣，導致大量邊界薄層在系統內分解，所以不能遵循在y+的標準建議。如此, LVEL [3]是應該選擇的模型。但是，電子散熱應用的嵌入邊界處理就解決了這一問題。

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

增強精度
    由于設計余量的減小，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，例如PCB。這跟精確度有何關聯？從周圍環境到結點的容許溫升并未增大，但是隨著封裝內部功率密度的增加（如PCB等），使用環境的溫升比例正在逐漸減小。另一方面，固體結構內熱傳導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、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設備測試的柔性材料I和II）的熱傳導率。

如何處理電子產品的熱設計挑戰
    電子散熱領域的CFD軟件——FloTHERM XT, 可用于解決這些挑戰。FloTHERM XT的SmartPart技術能夠使復雜封裝設備的仿真更為容易，尤其是對LED照明、消費電子、航空/國防以及汽車設計領域的工程師來說。
    在一些通用的CFD軟件中，網格劃分會占用大量的時間和精力，尤其是當它出錯時更為麻煩。大多數機械工程師直接使用軟件自帶的全自動網格劃分設置，但為了提高精度，需要有手工設置定義的功能。因此需要更為精密的網格劃分策略。FloTHERM XT中的先進代碼提供基于對象的半自動化算法，能夠適應自動網格劃分，也可使有經驗的CFD熱仿真工程師自由使用和手動控制。
    FloTHERM XT使用高穩定性的數值方法和半自動控制結果收斂的控制方案（只需要少許人工干預）。
    對電子散熱應用來說，湍流模擬很少成為導致結果錯誤的最主要原因。導致結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利用了結合侵入邊界處理的通用兩方程模型, 實現不同流態間轉換的近壁處效果，并得到適于電子應用的優秀基準測試結果。

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全法或縮減法運行軟件，這些可以更多地滿足應用此工具的工程師的需求。其中縮減法是一個控制開關，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訓練的人使用。
設計過程中心
FloTHERM XT提供的設計環境可快速改變器件的幾何模型并生成仿真結果。FloTHERM XT能夠適應電子公司中復雜的機械設計環境和相關過程。在FloTHERM XT中，輸入的CAD模型以及其內部生成的幾何模型函數可無縫結合在一起，以促使供應鏈集成并可使產品從早期概念設計到最終產品驗證都在機械設計流中完成(如圖2所示）。

MDA和 EDA設計流通過 FloTHERM XT.相互聯系
FloTHERM XT采用了這種最優設計流程并盡早降低了熱設計方面的風險。FloTHERM XT可以將固體模型和本地鏈接并入到最常見的EDA設計套件中去，如此便通過一個簡單或復雜的3D產品模型的創建就幫助公司將機械設計和電子設計密切結合，此過程實現了MDA和

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

                                    FloTHERM XT 和EDA工具通過接口相接合.
    FloTHERM XT可對產品在概念設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計錯誤，并不斷向前進步，以減少產品市場投放的時間。
    FloTHERM XT是款獨特的軟件，可供設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，以此可產生更多的假設，促使更具競爭力的產品產生。FloTHERM XT減少了對熱設計專家的依賴，并彌補了EDA 和MDA之間的差距。

FloTHERM XT與PCB設計工具直接集成，避免了易錯且耗時的轉移過程。PCB數據經過濾后（例如，對于非散熱元件來說），可減少計算時間，并且過濾設置被存儲。
FloTHERM XT具有友好的界面，能夠自動進行網格劃分和收斂，模型構建以及最復雜系統的有效模擬。相比通用CFD解決方案，FloTHERM 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絡盒的從概念到原型的設計。此項方案要求重新安置通風口，并按工業市場部人員的要求設計風格化外殼和能使功率擴散增加30%的主電路板。
第一步的概念設計階段包括創建一個包含PCB和元器件的盒子模型，以及一個針對整體散熱方案和關鍵元器件溫度的初始評估模型(如圖5所示)。

然后設計逐步升級到一個完整的系統模型設計,此系統模型設計包含針對封裝設備和所需散熱器的三維機械CAD設計。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的庫交換和過濾支持，從簡易的塊式元件模型升級到復雜的2-Resistor [4]模型, DELPHI [5]模型或高細節模型（如圖7所示）。

通常在原型和最終產品的整個系統設計過程中，關于MCAD和EDA的數據都可被保存和追溯查詢，如圖8所示。
FloTHERM XT內置生成報表功能，可以導出包含項目數據、結果信息和相關截圖的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計工程師和電子設計工程師收到報表的反饋時間，加快了決策進程。

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