專(zhuān)業(yè)的電子熱分析軟件 ICEPAK介紹

 

 北京天源博通科技有限公司

 日   期：2005-1

 目錄
一、 電子熱設(shè)計(jì)重要性
二、 需求分析
三、 FLUENT公司簡(jiǎn)介及天源公司情況
四、 ICEPAK軟件技術(shù)特征
五、 ICEPAK軟件在電子工業(yè)的應(yīng)用情況

 一、 電子熱設(shè)計(jì)的重要性

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是指對(duì)電子設(shè)備的耗熱元器件以及整機(jī)設(shè)備或系統(tǒng)的溫升進(jìn)行控制所采取的措施，其目的在于保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正常、可靠地工作。電子設(shè)備的功能設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的“賣(mài)點(diǎn)”，解決的是在市場(chǎng)上有沒(méi)有人要的問(wèn)題；而可靠性設(shè)計(jì)則主要考慮能否投入市場(chǎng)，使產(chǎn)品能順利、可靠地運(yùn)行，并盡量減少售后服務(wù)的成本和滿足苛刻條件的要求。電子設(shè)備均處于一定環(huán)境中存儲(chǔ)、運(yùn)輸和工作，這些環(huán)境因素包括：氣候、機(jī)械、電磁、生物、化學(xué)以及特種環(huán)境等，如不采取有效的環(huán)境保護(hù)措施，將導(dǎo)致電子設(shè)備及系統(tǒng)功能的降低、失效或損壞。而諸多環(huán)境因素中，溫度（包括高、低溫及其循環(huán)）對(duì)電子設(shè)備的影響尤為關(guān)鍵，圖1是對(duì)元器件失效原因所進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)（資料來(lái)源：美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目，US Air ForceAvionics Integrity Program），從中可以看出溫度是影響元器件可靠性的主要因素。另外，電子設(shè)備的運(yùn)行實(shí)踐表明：隨溫度的增加，元器件的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)，這在不同程度上降低了設(shè)備的可靠性，圖2 所示為器件結(jié)溫與失效率示意圖。

電子設(shè)備在工作時(shí)，輸出功率通常只占輸入功率的一小部分，其它大部分損失都以熱能形式散發(fā)出來(lái)。隨著時(shí)鐘頻率快速提高、封裝變薄、封裝的pin pitch減少、IC chips功能更復(fù)雜、封裝的footprint數(shù)降低以及電子設(shè)備向大功率和小型化方向發(fā)展，導(dǎo)致電子產(chǎn)品過(guò)熱的問(wèn)題顯
得越來(lái)越突出。因此，為保證電子設(shè)備在相應(yīng)的工作環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地工作，熱設(shè)計(jì)這一環(huán)必不可少。
 

二、 需求分析
在電子產(chǎn)品中，元器件的工作溫度是影響其可靠性指標(biāo)的一個(gè)重要因數(shù)。電子器件的工作溫度和可靠性之間存在一種可預(yù)測(cè)的關(guān)系，因此，為保證產(chǎn)品工作在允許溫度的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)人員都要千方百計(jì)地提高散熱效率、改善換熱環(huán)境。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和電子組裝密度的提高，使得單位體積容納的熱量越來(lái)越多，并且還要滿足電磁兼容地要求，處于降噪條件下的電子產(chǎn)品要求拆去風(fēng)扇，特別是對(duì)工作在惡劣環(huán)境中的電子產(chǎn)品要求其必須是全封閉的，這樣使得電子產(chǎn)品的散熱環(huán)境進(jìn)一步惡化，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(lái)越重要的地位。如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程CAD／CAE／CAM的時(shí)代，設(shè)計(jì)及評(píng)估人員都面臨著掌握熱仿真技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。
  一）熱設(shè)計(jì)的基本步驟
1．根據(jù)電子設(shè)備的壽命剖面和任務(wù)剖面，確定設(shè)備的熱環(huán)境：包括設(shè)備周?chē)目諝鉁囟取穸取鈮骸⒖諝饬魉佟⒃O(shè)備周?chē)矬w的形狀和黑度、日光照射以及有無(wú)空調(diào)、空調(diào)空氣的溫度和速度等。
2．進(jìn)行熱分析：通過(guò)熱分析確定系統(tǒng)和單元的傳熱途徑，確定最佳的冷卻方法及確定各個(gè)傳熱環(huán)境的熱阻，以便進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)。
3．進(jìn)行熱設(shè)計(jì)：電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少電路發(fā)熱量、減少發(fā)熱元件的數(shù)量；選擇耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件、原材料，采用降額設(shè)計(jì)法等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選擇冷卻方法，進(jìn)行傳熱通道地最佳設(shè)計(jì)，盡量減少熱阻和摩擦發(fā)熱部件，采用耐熱性好地原材料等。
4．進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真和評(píng)審：設(shè)備冷卻方法的確定及冷卻介質(zhì)流量的估算主要取決與設(shè)備（元、
件）的發(fā)熱功率，發(fā)熱設(shè)備（元件）的散熱面積，發(fā)熱元件，熱敏元件（和設(shè)備）的最高允許工作溫度及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)是否合理，結(jié)構(gòu)上的排列是否根據(jù)元件的電氣性能和熱特性等綜合考慮，因此必須采用一定的方法和手段審核，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
5．進(jìn)行熱試驗(yàn)和熱測(cè)量：熱測(cè)量是指對(duì)電子設(shè)備的樣機(jī)或模型的各種熱性能參數(shù)的測(cè)量，其目的在于檢測(cè)熱設(shè)計(jì)的效果和預(yù)計(jì)該設(shè)備所能達(dá)到的熱性能指標(biāo)，并對(duì)冷卻系統(tǒng)的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。內(nèi)容包括：檢查所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)；對(duì)機(jī)柜，集中發(fā)熱元器件，整機(jī)系統(tǒng)的熱性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為熱設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供計(jì)算數(shù)據(jù)。其中具體熱測(cè)量的參數(shù)有：
關(guān)鍵元器件、散熱器及其他冷卻裝置的表面溫度；
機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布；
機(jī)柜或機(jī)框內(nèi)風(fēng)道處的空氣流量和壓力損失；
液體冷卻系統(tǒng)中的流量和壓力損失等。
二） 引入CAE 技術(shù)，提高熱設(shè)計(jì)水平
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何降低成本，使工藝流程能更加迅速地反應(yīng)市場(chǎng)變化，是一項(xiàng)艱巨任務(wù)，引入計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)能夠加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本。在電子設(shè)備熱分析中，電子設(shè)備熱分析軟件通過(guò)模型建立、模型求解和結(jié)果解釋三方面能夠分析單個(gè)元件、多芯片模塊、散熱器、PCB 板直至整個(gè)電子系統(tǒng)，因此，設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)行電子設(shè)備的系統(tǒng)性綜合分析和元件級(jí)的詳細(xì)分析，以期解決如下問(wèn)題：
? 優(yōu)化電子系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵器件的位置；
? 對(duì)電子系統(tǒng)強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流冷卻等幾種方案進(jìn)行綜合比較；
? 設(shè)計(jì)風(fēng)扇、通風(fēng)口的位置尺寸；
? 確定單板與單板之間和電子系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件之間的空間大小；
? 優(yōu)化散熱器的形狀和尺寸以最大限度地發(fā)揮其散熱效率；
? 提高散熱孔和散熱片地?zé)醾鬟f效率。
由于電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)軟件在界面、精度、可靠性、魯棒性、速度等方面都已成熟，因此，對(duì)于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作有如下優(yōu)點(diǎn)：
? 改善產(chǎn)品性能和可靠性；
? 加快產(chǎn)品上市時(shí)間；
? 減少設(shè)計(jì)反復(fù)次數(shù)；
? 快速獲取研究參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；
? 降低成本。
三） 用熱分析軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中進(jìn)行的熱分析熱仿真流程一般包括以下四個(gè)層次：環(huán)境級(jí)（Environment）--系統(tǒng)運(yùn)行工作所處于的物理環(huán)境；系統(tǒng)級(jí)（Systems）--電子設(shè)備機(jī)箱、機(jī)柜等系統(tǒng)級(jí)熱分析；組件級(jí)（Components）--電子模塊，散熱器，PCB 板等級(jí)別的熱分析；封裝級(jí)（Packages）--元器件級(jí)別熱分析。
針對(duì)電子設(shè)備的散熱特點(diǎn)，采用熱分析軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。系統(tǒng)級(jí)分析一般處于設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段，用最少的工作獲得最大的信息，這一階段只需要近似的幾何形狀和功耗，其目的為：優(yōu)化主要部件（比如通風(fēng)口、風(fēng)扇等）的形狀位置和設(shè)計(jì)的可行性；確定風(fēng)扇、通風(fēng)口和PCB 之間的流體分布；確定系統(tǒng)的溫升；定位熱點(diǎn)等等。詳細(xì)系統(tǒng)級(jí)分析一般處于設(shè)計(jì)循環(huán)的晚期或是對(duì)現(xiàn)有方案的驗(yàn)證，其作用包括：提高系統(tǒng)級(jí)分析的精度；確定空氣的溫度、速度、壓強(qiáng)，為做細(xì)化的局部分析做準(zhǔn)備；固體表面溫度的估計(jì)；固體周?chē)諝鉁囟鹊木_計(jì)算。局部分析一般也處于設(shè)計(jì)循環(huán)的晚期或是對(duì)現(xiàn)有方案的驗(yàn)證，并且多數(shù)是針對(duì)元器件的結(jié)溫，其作用包括：精確分析固體內(nèi)部溫度和其周?chē)諝獾臏囟群蛪簭?qiáng)等。

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