ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用

李增辰 （信息產(chǎn)業(yè)部電子第54研究所）

摘要:本文闡述了當(dāng)前電子行業(yè)熱分析的形勢，介紹了Icepak軟件的應(yīng)用范圍及技術(shù)特點(diǎn)，以機(jī)箱為例介紹Icepak軟件在電子系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 熱分析 Icepak軟件機(jī)箱

前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的尺寸正迅速縮小,而功率卻一直在增大。使得單位體積容納的熱量越來越多，特別是在惡劣環(huán)境下的電子產(chǎn)品要求必須是全封閉的，降噪條件下的電子產(chǎn)品要求拆去風(fēng)扇，使得電子產(chǎn)品的散熱環(huán)境更差，為了達(dá)到容許的溫度，設(shè)計(jì)人員要提高散熱效率、改善換熱環(huán)境。因此電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中占有越來越重要的地位，在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難適應(yīng)需要，為了保證設(shè)備正常工作，就必須要對電子設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的熱設(shè)計(jì)。如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程的CAD／CAE／CAM時(shí)代，設(shè)計(jì)及評估人員都面臨著掌握熱仿真技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。

熱仿真能夠在樣品和產(chǎn)品開始之前確定和消除熱問題，借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，縮短高性能電子設(shè)備的研制周期。熱分析軟件能夠比較真實(shí)的模擬系統(tǒng)的熱狀況，應(yīng)用熱分析軟件，在設(shè)計(jì)過程中就能預(yù)測到各元器件的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計(jì)的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可以對電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)備的可靠性。

下面介紹一種在熱分析領(lǐng)域較優(yōu)秀的軟件－Icepak軟件，它是由美國Fluent公司開發(fā)的專業(yè)的熱分析軟件。

Icepak軟件

Icepak軟件是面向熱產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析工程師的軟件，采用熱設(shè)計(jì)分析所專用的機(jī)柜、風(fēng)扇、印刷電路板、阻尼、通風(fēng)口等模型。建模過程快捷、網(wǎng)格生成與計(jì)算都是自動(dòng)進(jìn)行的。整個(gè)軟件采用統(tǒng)一的集成化的環(huán)境界面。使用者能在較短的時(shí)間內(nèi)將該軟件應(yīng)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)分析中。另外，該軟件也不要求使用者有較深的流體力學(xué)知識(shí)背景。

應(yīng)用范圍

Icepak作為專業(yè)的熱分析軟件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的各個(gè)階段，Icepak都可以幫助客戶優(yōu)化設(shè)計(jì)。以解決各種不同類型問題：

系統(tǒng)級(Systems)  ——對電子設(shè)備機(jī)箱、機(jī)柜及方艙等系統(tǒng)級問題的熱分析。利用Icepak可以模擬氣流在機(jī)柜中的流動(dòng)，通過調(diào)整風(fēng)扇和通風(fēng)口的不同尺寸大小、形狀及其它選項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)值模擬，從而以最小的代價(jià)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

組件級(Components) ——用于電子模塊，散熱器，PCB板級別的熱分析。通過有效地模擬一個(gè)或多個(gè)散熱片或由數(shù)目巨大的散熱片組成的散熱器，可以得到研究對象的溫度分布、流場分析及傳熱情況。用戶可以根據(jù)自己的需要用Icepak建立特殊要求的散熱器模型。

封裝級(Packages) ——用于對元器件級別的熱分析。通過詳細(xì)模擬元器件及相鄰元器件間的傳熱介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，并為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

技術(shù)特點(diǎn)：

建模快速

MCAD輸入----Pro/E的直接接口，IGES，DXF

ECAD/IDF輸入----IDF（如，Mentor Graphics, Cadence）的直接輸入

現(xiàn)成的模型庫----箱體、塊、風(fēng)扇、PCB板、通風(fēng)口、自由開口、空調(diào)、板、壁面、管道、源、阻尼器、散熱片、離心風(fēng)機(jī)、太陽幅射、各種封裝件模型等，用戶可以直接從Icepak的菜單調(diào)用現(xiàn)成的模型

各種形狀的幾何模型----六面體、棱柱、圓柱、同心圓柱、橢圓柱、橢球體，斜板、多邊形板、方形或圓形板，Icepak可以構(gòu)造各種形狀的幾何模型

Icepak依靠鼠標(biāo)來選取、定位以及改變預(yù)定義對象的大小、因而使模型的建立快捷方便，可以表達(dá)復(fù)雜幾何而無須近似簡化。同時(shí)Icepak網(wǎng)站還以很快的速度不斷提供新的模型庫，如各類風(fēng)機(jī)、無限定的多層PCB板、各類散熱器等等。

自動(dòng)網(wǎng)格生成

Icepak采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)。支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。網(wǎng)格參數(shù)完全由用戶自行控制，如果需要對某個(gè)特征實(shí)體加密網(wǎng)格，加密網(wǎng)格不會(huì)影響到其它對象。

廣泛的模型能力

Icepak擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動(dòng)模型和傳熱模型。這些模型具有足夠的精度和可靠性。傳熱模型包括強(qiáng)迫對流、自然對流和混合對流模型、固體中的熱傳導(dǎo)模型、流體與固體之間的耦合傳熱模型、表面與表面間的熱輻射模型。另外，用戶還可以模擬層流、湍流，穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

解算功能

求解器----采用Fluent5……CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）求解器

有限體積方法(Finite Volume Method), 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器

并行算法，能夠?qū)崿F(xiàn)UNIX或NT的網(wǎng)絡(luò)并行

可視化后置處理

面向?qū)ο蟮摹⑼耆傻暮笾锰幚憝h(huán)境

可視化速度矢量圖、等值面圖、粒子軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點(diǎn)示蹤圖

可以通過以下格式輸出：postscripts, PPM, TIFF, GIF, JPEG和RGB格式

動(dòng)畫可以存成MPEG格式的多媒體文件

實(shí)例

電子設(shè)備中，機(jī)箱是比較典型的結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，機(jī)箱內(nèi)部一般布滿了電子元器件，對散熱的要求較高。借助于Icepak軟件，可以清楚的計(jì)算出機(jī)箱內(nèi)部的熱分布情況，從而可以正確的排列器件的分布，正確配置散熱風(fēng)機(jī)。

下面以某電子系統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)箱為例簡要談一下Icepak在熱分析中的應(yīng)用。

應(yīng)用Icepak軟件，首先要對機(jī)箱進(jìn)行簡化，將實(shí)體轉(zhuǎn)化為Icepak認(rèn)可的模型。對于熱分析有較大影響的散熱器、高發(fā)熱量的器件要建立詳細(xì)的模型，而對熱分析沒有影響較小的細(xì)節(jié)方面可以簡化模型，這樣不但可以提高求解的速度，并且還能把主要精力放在問題的求解上。

圖1-1所示的系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的原始方案，其中功率放大器的熱功耗為94W，DC/DC模塊的熱功耗為20W，接收機(jī)與中心發(fā)射機(jī)的熱功耗均為5W，機(jī)箱除氣孔及風(fēng)扇開口外密封，并且要求在環(huán)境溫度為60℃時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的溫度不得超過80℃。

本系統(tǒng)中機(jī)箱內(nèi)部器件的發(fā)熱量高，空氣的流動(dòng)不暢，必須靠風(fēng)扇來強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于對溫度的要求苛刻，為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須保證溫度在允許的范圍內(nèi)。應(yīng)用Icepak軟件，可以在設(shè)計(jì)階段分析機(jī)箱內(nèi)部的熱分布情況，從而省掉樣機(jī)的生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。

 

  圖1-1

應(yīng)用Icepak軟件初步運(yùn)算表明，機(jī)箱內(nèi)的局部溫度達(dá)到100℃以上，必須更改設(shè)計(jì)，機(jī)箱內(nèi)各器件的尺寸已經(jīng)固定，只能靠改變它的位置及增加風(fēng)扇來降低機(jī)箱內(nèi)的溫度。首先我們在功率放大器的后端增加了一個(gè)風(fēng)扇，如圖1-2所示。模擬運(yùn)算的結(jié)果表明，溫度仍然高于80℃。我們曾經(jīng)嘗試改變DC/DC模塊和功率放大器的相對位置，但是對散熱效果影響不大。

圖1-2

根據(jù)機(jī)箱內(nèi)的溫度分布和氣流流動(dòng)分析，可以知道,兩個(gè)風(fēng)扇吹出的風(fēng)沒有完全集中到兩個(gè)最大的發(fā)熱元件上，為此，我們想出一個(gè)辦法，在DC/DC模塊和功率放大器外側(cè)加上擋板，如圖1-3所示，這樣兩個(gè)風(fēng)扇之間形成一個(gè)較為集中的風(fēng)道，有利于機(jī)箱內(nèi)部器件的散熱，圖1-4是Icepak軟件計(jì)算的機(jī)箱內(nèi)部空氣的模擬流動(dòng)示意圖。從圖中可以看出，大部分的空氣經(jīng)由散熱片流出，使兩個(gè)發(fā)熱量最大的器件的溫度降到允許的范圍內(nèi)。

圖1-3

圖1-4

圖1-5是機(jī)箱內(nèi)部切面的氣流運(yùn)動(dòng)矢量圖。通過矢量圖，可以清楚的知道，空氣在空間是怎樣運(yùn)動(dòng)的，從而對器件的分布有指導(dǎo)意義。

圖1-5

  圖1-6是由Icepak軟件分析的機(jī)箱內(nèi)部的器件發(fā)熱狀況。根據(jù)實(shí)際的工況用Icepak軟件模擬出實(shí)際的發(fā)熱狀況。

圖1-6

后記

電子設(shè)備工作時(shí)，各主要元器件的溫度分布情況是設(shè)計(jì)工程師非常關(guān)心的事情，應(yīng)用Icepak軟件,在設(shè)計(jì)過程中就能預(yù)測到各元器件的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計(jì)的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可以對電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)備的可靠性。

利用Icepak軟件強(qiáng)大的熱分析功能，在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中可以考慮一些重要的熱性能信息，從而使電子設(shè)計(jì)工作大為改觀。首先，利用ICEPAK建立電子系統(tǒng)及電子元器件的精確的計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算氣流的流動(dòng)狀態(tài)和整個(gè)流場的換熱情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題。然后，通過改變各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬，直到找到最佳的設(shè)計(jì)方案，從而避免了生產(chǎn)昂貴的實(shí)際樣機(jī)，并減少了生產(chǎn)實(shí)際樣機(jī)的時(shí)間和費(fèi)用，壓縮了設(shè)計(jì)過程，提前了產(chǎn)品的交貨期。

 

參考文獻(xiàn)

（1） Icepak Training Notes .北京海基科技發(fā)展有限公司

（2）〔美〕D.S.斯坦伯格著.電子冷卻技術(shù).北京：航空工業(yè)出版社.1990

（3） 楊世銘 陶文銓著.傳熱學(xué).北京：高等教育出版社.1998

Icepak資料下載:  FLUENT第一屆中國用戶大會(huì)論文集33-40.pdf

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