FloTHERM優(yōu)化電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)

　　一、概述

　　FloTHERM是一款強(qiáng)大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的三維仿真軟件。在任何實(shí)體樣機(jī)建立之前，工程師就可以在設(shè)計(jì)流程初期快速并簡易地創(chuàng)建虛擬模型，運(yùn)行熱分析以及測試設(shè)計(jì)更改。FloTHERM采用先進(jìn)的CFD(計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)，預(yù)測元器件、PCB板以及整機(jī)系統(tǒng)的氣流、溫度和傳熱，如圖1所示。

　　不同于其他熱仿真件，F(xiàn)loTHERM是一款專為各類電子應(yīng)用而打造的分析工具，其應(yīng)用行業(yè)包含：

　　◎電腦和數(shù)據(jù)處理;

　　◎電信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);

　　◎半導(dǎo)體設(shè)備，集成電路(ICs)以及元器件;

　　◎航空和國防系統(tǒng);

　　◎汽車和交通運(yùn)輸系統(tǒng);

　　◎消費(fèi)電子。

　　FloTHERM以專業(yè)、智能和自動而著稱，區(qū)別于其他傳統(tǒng)分析軟件。這些功能可協(xié)助熱設(shè)計(jì)專家們將產(chǎn)能最大化，幫助機(jī)械設(shè)計(jì)工程師將學(xué)習(xí)過程減到最少，并為客戶提供分析軟件行業(yè)最高比率的投資回報率。

　　在中小型企業(yè)，一年時間，投資FloTHERM所帶來的收益就是投資成本的數(shù)倍，公司規(guī)模越大，成本回收的速度越快。用戶可以從以下方面體驗(yàn)到使用FloTHERM解決電子熱設(shè)計(jì)問題所帶來的驚人利益：

　　◎生產(chǎn)硬件前解決熱設(shè)計(jì)問題;

　　◎減少重新設(shè)計(jì)工作，降低每單位產(chǎn)品成本;

　　◎增強(qiáng)可靠性和提高整體的工程設(shè)計(jì)程度;

　　◎顯著地縮短上市時間。建模功能#e#二、建模功能

　　1.SmartParts

　　FloTHERM軟件提供了專門應(yīng)用于電子設(shè)備熱分析的參數(shù)化模型創(chuàng)建宏(SmartParts)，能夠迅速、準(zhǔn)確地為大量電子設(shè)備建模。SmartParts技術(shù)應(yīng)用范圍：散熱器、風(fēng)扇、印刷電路板、熱電冷卻器、機(jī)箱、元器件、熱管、多孔板和芯片。

　　SmartParts器件凝聚了Mentor Graphics公司Mechanical Analysis Division 20多年來在電子冷卻建模領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，旨在提高建模效率，最小化求解時間，并最大化結(jié)果的精準(zhǔn)度。

　　主要功能包括：

　　◎SmartParts完整集群(參數(shù)化模型創(chuàng)建宏);

　　◎多級SmartParts器件(同一項(xiàng)目可提供簡約模型和詳細(xì)模型);

　　◎資源管理器樣式的項(xiàng)目管理器，配備拖放功能;

　　◎CAD風(fēng)格、鼠標(biāo)繪制圖板以及拖放功能創(chuàng)建和操作模型;

　　◎多重嵌入式局域化網(wǎng)格，在確保計(jì)算精度的同時大大提高計(jì)算效率和處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力;

　　◎模型庫包含數(shù)千種器件和基本形體的FloTHERM模型，如風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、元器件、散熱器、材料和熱界面材料等;

　　◎與物體相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格模式使建模和網(wǎng)格生成一步完成。

　　2.智能的MCAD與EDA接口

　　FloTHERM擁有業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的MCAD和EDA(Electronics Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動化)接口。FloTHERM不僅可兼容Pro/ENGINEER、Solidworks、CATIA以及其他主流MCAD軟件數(shù)據(jù)，還支持模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出。另外，F(xiàn)loTHERM的EDA接口不但支持EDA軟件的IDF格式PCB板模型導(dǎo)入，還可直接通過接口讀入Allegro、Board Station以及CR5000等軟件的走線、器件參數(shù)以及過孔等詳細(xì)模型。

　　3.網(wǎng)格

　　FloTHERM采用正交網(wǎng)格技術(shù)——當(dāng)今最穩(wěn)定的高效數(shù)值求解網(wǎng)格技術(shù)，同時采用先進(jìn)的非連續(xù)嵌入式網(wǎng)格和Cut Cell網(wǎng)格切割技術(shù)。局域化網(wǎng)格功能可在需要時進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，將求解時間縮至最短。

　　FloTHERM軟件配有專門針對于電子散熱行業(yè)的半自動網(wǎng)格技術(shù)。FloTHERM網(wǎng)格與SmartParts緊密關(guān)聯(lián)，網(wǎng)格生成在FloTHERM中處理為建模的一個步驟，用戶可控制網(wǎng)格細(xì)化程度。該技術(shù)直觀簡潔，滿足了工程師專注于設(shè)計(jì)的需求。

　　操作傳統(tǒng)CFD軟件需要大量時間和專業(yè)技術(shù)，相反，F(xiàn)loTHERM網(wǎng)格生成快捷，網(wǎng)格質(zhì)量穩(wěn)定。同時，F(xiàn)loTHERM是惟一一款使用與物體相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格模式的分析軟件，避免了模型修改時重新生成網(wǎng)格。

　　三、求解器和優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　1.參數(shù)化分析和優(yōu)化

　　基于SmartPart的建模和結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格使得FoTHERM模型可采用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design of Experiments，DOE)技術(shù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種決定設(shè)計(jì)參數(shù)(如散熱器翅片個數(shù)和通風(fēng)孔位置等)和結(jié)果(如元器件溫度和風(fēng)扇流量等)之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化方法。FloTHERM采用DOE技術(shù)后，在原始模型基礎(chǔ)上改變設(shè)計(jì)變量，求解大量不同參數(shù)的模型，有效地協(xié)助用戶探索廣泛的設(shè)計(jì)空間。這為對比不同設(shè)計(jì)參數(shù)模型的分析結(jié)果提供了重要信息，從而盡量減少需要求解的模擬模型，同時，這也為采用功能強(qiáng)大的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)法和順序優(yōu)化法奠定了基礎(chǔ)。DoE優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的方案，自動計(jì)算選優(yōu)。

　　FloTHERM通過計(jì)算所有相關(guān)結(jié)果的響應(yīng)面而擴(kuò)展了這個優(yōu)化功能。響應(yīng)面法優(yōu)化(RSO)是從DOE結(jié)果中分離出來的數(shù)值方程，實(shí)時評估設(shè)計(jì)空間內(nèi)任意位置的熱設(shè)計(jì)方案。用戶可將實(shí)時二維和三維云圖與響應(yīng)面結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過滑動標(biāo)尺設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值。響應(yīng)面也完全支持用戶自定義成本函數(shù)的數(shù)學(xué)最優(yōu)化，不需要求解額外實(shí)例，就可評估最優(yōu)求解方案。

　　同時也可執(zhí)行成本函數(shù)的自動循序優(yōu)化(SO)。這種基于梯度的方法將對原始模型不同變量建立新模型并對之運(yùn)行求解，這種方法能夠無誤地選出并確定最優(yōu)熱設(shè)計(jì)求解方案。循序優(yōu)化可幫助理解設(shè)計(jì)約束(如最高元件溫度)，并將這些信息包含在軟件自動選取的最優(yōu)方案中。如圖2所示。

　　2.求解器

　　20多年來，F(xiàn)loTHERM的求解器一直專注地為解決電子設(shè)備散熱應(yīng)用而打造。求解器基于笛卡爾網(wǎng)格系統(tǒng)，運(yùn)算結(jié)果精確，單位網(wǎng)格之運(yùn)算速度全球最快。針對大面積的不規(guī)則模型，F(xiàn)loTHERM采用“局域化”網(wǎng)格技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)Σ煌蠼庥虻脑g生成相互匹配、嵌套和非連續(xù)網(wǎng)格界面。針對電子系統(tǒng)內(nèi)部的熱耦合特性，目前FloTHERM采用了先決耦合殘差算法和靈活多重網(wǎng)格循環(huán)技術(shù)來處理這個問題。務(wù)實(shí)、獨(dú)特和精準(zhǔn)的求解終端標(biāo)準(zhǔn)能夠快捷地生成的結(jié)果，滿足實(shí)際工程需求。

　　3.瞬態(tài)分析

　　FloTHERM強(qiáng)大的瞬態(tài)分析能力使得其能夠預(yù)測大范圍的瞬 態(tài)行為?？蓪⑸崃颗c時間變化對應(yīng)的信息用“.csv”格式文件 導(dǎo)入軟件，定義隨時間變化的散熱情況。據(jù)此，可生成關(guān)于元 件溫度隨時間變化的精確報告，而不再是像過去提供的是基于 恒定狀態(tài)的能量消耗量。

　　主要功能包括：

　　◎同步求解傳熱主要形式，包括對流、傳導(dǎo)和輻射;

　　◎求解終端可選擇為基于用戶自定義檢測點(diǎn)的收斂;

　　◎分析含多種冷卻介質(zhì)的散熱系統(tǒng)的能力;

　　◎模擬紊流或?qū)恿鞯哪芰?

　　◎在線性漸變、能量增加、指數(shù)增加、正弦曲線、周期性變化、或?qū)氲碾S時間變化的“.csv”文件中的所有變量均可定義為瞬態(tài)變量;

　　◎全自動輻射換熱和全自動輻射傳熱系數(shù)的計(jì)算;

　　◎自動加載太陽輻射項(xiàng)目的邊界條件。可視化#e#四、可視化

　　FloTHERM可視化后處理模塊轉(zhuǎn)為提高電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)速度而研發(fā)。完全逼真的模型、三維流動動畫和處理溫度動態(tài)變化的工具，以及流動結(jié)果，協(xié)助工程師迅速高效地發(fā)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)問題所在，并將設(shè)計(jì)修改以可視化形式呈現(xiàn)。動態(tài)流線和示蹤粒子運(yùn)動圖方便了工程師同步具備熱設(shè)計(jì)功底的同事交流。

　　主要功能包括：

　　◎復(fù)雜、三維氣流流動動畫;

　　◎熱傳流動的動畫形式的輪廓圖;

　　◎等值面圖和表面云圖;

　　◎向量或流線體現(xiàn)氣流，用顏色區(qū)分溫度和速度;

　　◎輸出AVI格式動畫;

　　◎動態(tài)示蹤圖幫助用戶更好理解復(fù)雜氣流的流動;

　　◎圖片紋理增強(qiáng)真實(shí)感。

　　FloTHERM可視化后處理后的結(jié)果(圖3)，顯示了氣流流動跡線，并用不同顏色表示流速，為工程師提供了如何布局LED電視機(jī)通風(fēng)孔的信息。

　　橫切面圖(圖4)，顯示了產(chǎn)品元件、外殼以及空氣之間傳導(dǎo)、對流和輻射效果下溫度的分布情況。

　　五、FloTHERM產(chǎn)品套餐

　　1.

　　能快速將機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(MCAD)軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FloTHERM。兼容的MCAD軟件包括Pro/ENGINEER、SolidWorks和CATIA等。

　　不僅僅是一個接口文件，它能智能地為某一特定元件或組件篩選模型信息，并為分析流程創(chuàng)建一個簡約的熱等效模型。該步驟非常關(guān)鍵，因?yàn)樯a(chǎn)制造流程用的MCAD固體模型包含大量熱分析時不需要的細(xì)節(jié)(倒角、小孔、切角和螺母等)。這些細(xì)節(jié)不僅對于提高熱分析結(jié)果精準(zhǔn)度沒有任何幫助，反而會極大地減慢求解速度。對元件細(xì)節(jié)的轉(zhuǎn)化功能大大地提高了建模的效率。

　　2.

　　能方便、快捷地將印刷電路板設(shè)計(jì)從電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)軟件中導(dǎo)入到FloTHERM中，兼容的EDA軟件包括 BoardStation、Allegro和CR5000等。

　　通過提取EDA工具內(nèi)的走線、器件參數(shù)等信息創(chuàng)建FloTHERM可讀取的PCB板布局的模型。通過細(xì)化(用戶可自行控制細(xì)化程度)的熱傳導(dǎo)率分布圖來說明每層銅的分布情況。該濾過功能使得PCB內(nèi)復(fù)雜的銅分布情況用非常精準(zhǔn)、簡潔明了的方式顯示，刪減模型細(xì)節(jié)。

　　導(dǎo)入模型后，的眾多功能幫助快速描述PCB板的更多特征：

　　◎?qū)τ谠贓DA工具中不體現(xiàn)而對熱分析很重要的常見元件(如散熱器、導(dǎo)熱孔、子板和屏蔽罩等)，可通過一次簡單點(diǎn)擊鼠標(biāo)建立該器件模型;

　　◎元件篩選功能，忽略對熱分析結(jié)果影響微小的部件，提高計(jì)算時間;

　　◎自動或手動選擇FloTHERM元件庫中的器件，替代EDA工具中相應(yīng)的元件;

　　◎?qū)牒蛯?dǎo)出可視化的熱能分布圖。

　　非常適合現(xiàn)行的設(shè)計(jì)流程，允許用戶快速導(dǎo)入現(xiàn)有的EDA數(shù)據(jù)，并簡單地進(jìn)行必要的模型簡化。

　　3.

　　是一款基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序，提供可靠、準(zhǔn)確的IC封裝以及相關(guān)器件的熱模型，而生成這些模型，僅需要用戶提供最基本的芯片封裝參數(shù)。為滿足封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域日益增強(qiáng)的創(chuàng)新意識而設(shè)計(jì)，基于網(wǎng)絡(luò)，并為每一個元件都設(shè)計(jì)了參數(shù)化設(shè)置菜單。用戶只需使用日常應(yīng)用的瀏覽器，輸入描述IC封裝的數(shù)據(jù)，就可充分利用。例如，想要建立一個BGA 封裝模型，用戶只需要輸入如下這些數(shù)據(jù)：焊球/管腳數(shù)目、襯底傳導(dǎo)率、裸片尺寸以及襯底金屬層厚度和覆蓋率。

　　如果用戶沒有元件內(nèi)部模型的詳細(xì)信息，內(nèi)的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)模型庫的SmartParts向?qū)Э蓭椭脩艨焖佥p松地創(chuàng)建基于其預(yù)測的熱分析模型，而用戶只需回答關(guān)于這個元件的三四個問題。利用基于行業(yè)設(shè)計(jì)慣例的智能化內(nèi)置規(guī)則，SmartParts向?qū)ё詣铀褜さ狡渌嚓P(guān)信息。

　　同樣允許用戶預(yù)覽三維模型，確認(rèn)輸入的參數(shù)正確?？焖贋g覽后，將模型下載到電腦，拖入FloTHERM分析模型中。

　　的功能可以為用戶帶來產(chǎn)能的極大提升。事實(shí)上，用戶用在元件建模上的時間減少了20甚至更多。考慮了模型創(chuàng)建過程的每一步，完全可以幫助用戶集中精力于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　支持業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛的所有封裝形式，包括球柵陣列封裝(BGA)、引線封裝(Leaded Packages)、針腳柵格陣列 封裝(Pin Grid Arrays)、晶體管外形封裝(Transistor Outline Packages)、芯片尺寸封裝(Chip-Scale Packages)以及堆棧封裝(Multi-die Packages)。

　　4.

　　是一款獨(dú)特的高效的PCB研發(fā)軟件，不僅為優(yōu)化印刷電路板熱設(shè)計(jì)提供了一種跨專業(yè)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使電路板設(shè)計(jì)工程師們能夠在設(shè)計(jì)電路板的概念階段開始就很容易地將熱設(shè)計(jì)也考慮在內(nèi)。而且，還可以應(yīng)用于PCB詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、系統(tǒng)級驗(yàn)證階段的熱設(shè)計(jì)，貫穿了PCB設(shè)計(jì)周期的始終。不僅確保了PCB板可靠的熱設(shè)計(jì)，同時加快了PCB板設(shè)計(jì)流程?？杉涌煊∷㈦娐钒迳嵩O(shè)計(jì)過程，此過程甚至能夠從繪制功能模塊原理圖開始，并且使系統(tǒng)構(gòu)架工程師、電路(硬件)設(shè)計(jì)工程師和機(jī)械熱設(shè)計(jì)工程師們能夠在共同的設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行協(xié)作。一個簡單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊就能實(shí)現(xiàn)電路板在功能模塊原理圖、物理布局模型和熱分析結(jié)果這三種不同視圖之間的切換。在其中任何一個視圖中所做的改動，會立即反應(yīng)在其他視圖中，使整個設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)保持“同步”，并使其在各個方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)能實(shí)時地反映到整體設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。由于產(chǎn)品在電氣性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)和散熱等方面的問題可以在詳細(xì)設(shè)計(jì)開始之前就得到解決，就可使優(yōu)化設(shè)計(jì)更省時，大大減少了重復(fù)工作的成本。