概述

電子設(shè)備的小型化趨勢(shì)正在持續(xù)增加所有封裝級(jí)別的功率密度。設(shè)備小型化源于降低成本考慮，這也是許多行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，其結(jié)果就是設(shè)計(jì)裕量越來(lái)越少，對(duì)過(guò)度設(shè)計(jì)的容忍度越來(lái)越低。這一點(diǎn)對(duì)于產(chǎn)品的物理設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)尤其準(zhǔn)確，因?yàn)檫^(guò)度設(shè)計(jì)會(huì)增加產(chǎn)品的重量和體積，很多時(shí)候還會(huì)增加制造和組裝成本，從而增加最終產(chǎn)品的成本。

有效散熱對(duì)于電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)期可靠性而言至關(guān)重要。將部件溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)是確定某項(xiàng)設(shè)計(jì)可接受程度的通行標(biāo)準(zhǔn)。散熱解決方案可直接增加產(chǎn)品的重量、體積和成本，且不具有任何功能效益，但它們提供的是產(chǎn)品可靠性。如果沒(méi)有散熱系統(tǒng)，大部分電子產(chǎn)品用不了幾分鐘就會(huì)發(fā)生故障。漏電流以及由此產(chǎn)生的漏電功耗會(huì)隨著芯片尺寸縮小而上升；此外，由于漏電與溫度密切相關(guān)，因而產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)就更加重要，正如需要為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備保持電量一樣。

那么，企業(yè)中的工程管理人員應(yīng)如何介入涉及復(fù)雜和/或高功率電子部件的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程才能確保其產(chǎn)品既保持應(yīng)有的熱性能又滿足其他設(shè)計(jì)要求呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要探討電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域面臨的以下 10 個(gè)關(guān)鍵難題。

1. 熱設(shè)計(jì)所涉及的工科范圍

電子散熱（或稱為熱設(shè)計(jì)）其實(shí)是一個(gè)相當(dāng)小眾的細(xì)分領(lǐng)域。二十年之前，熱設(shè)計(jì)通常是企業(yè)中的集中設(shè)計(jì)活動(dòng)，配有熱專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，成員主要是具有熱傳遞知識(shí)背景的機(jī)械工程師，為所有業(yè)務(wù)部門(mén)提供熱設(shè)計(jì)服務(wù)。當(dāng)時(shí)，產(chǎn)品的機(jī)械部分（包括任何散熱解決方案）與電子部分是獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)的。那時(shí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度非常緩慢，因?yàn)榇蟛糠志θ匀环旁诋a(chǎn)品的物理樣機(jī)研究，用于糾正設(shè)計(jì)完成后可能出現(xiàn)的問(wèn)題。但今天，熱設(shè)計(jì)作為一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域可能由負(fù)責(zé)某個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中由一個(gè)或多個(gè)成員來(lái)完成（具體視公司或行業(yè)情況而定）。

對(duì)于那些以確保產(chǎn)品熱運(yùn)行正常為己任的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，熱設(shè)計(jì)既可以是專(zhuān)職工作，也可以是兼職工作；他們可能是同時(shí)涉足產(chǎn)品機(jī)械的通才（而非熱處理專(zhuān)家），也可能是電子專(zhuān)業(yè)工程師。

在企業(yè)或業(yè)務(wù)部門(mén)內(nèi)考慮優(yōu)化熱設(shè)計(jì)事宜時(shí)，應(yīng)考慮團(tuán)隊(duì)成員的專(zhuān)業(yè)背景和實(shí)際技能。由于其專(zhuān)業(yè)背景各異，可能需要各不相同的熱設(shè)計(jì)工具來(lái)發(fā)揮各自的最大效率。因此，從設(shè)計(jì)工具的角度考慮，一定要因地制宜，不能一刀切。

2. 不同的目標(biāo)設(shè)計(jì)環(huán)境

為什么當(dāng)初熱設(shè)計(jì)人員都來(lái)自機(jī)械或電氣專(zhuān)業(yè)背景？部分原因在于歷史上企業(yè)對(duì)熱設(shè)計(jì)的一貫看法，以及因此而產(chǎn)生的熱設(shè)計(jì)如何與其他設(shè)計(jì)活動(dòng)相結(jié)合的問(wèn)題。

在部分企業(yè)中，熱設(shè)計(jì)可能被視為 PCB 設(shè)計(jì)流程的一部分，與主要的電子設(shè)計(jì)并行，尤其是設(shè)計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)插架的產(chǎn)品時(shí)；在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計(jì)任務(wù)的則可能是電子工程師，習(xí)慣使用 EDA 工具，此時(shí)，最好為他們提供基于 EDA的 PCB 仿真解決方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 產(chǎn)品，其中包含有熱分析模塊，當(dāng)然還有設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、電源完整性、信號(hào)完整性、三維電磁以及模擬仿真等。

而在另一方面，熱設(shè)計(jì)可能被視為與產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)部分并行，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)行業(yè)（例如汽車(chē)行業(yè)）較為普遍，因?yàn)檫@些產(chǎn)品中的電子成分一直增長(zhǎng)緩慢，直到最近幾年。在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計(jì)任務(wù)的則可能是汽車(chē)工程師、機(jī)械工程師或產(chǎn)品工程師，習(xí)慣在企業(yè) PLM 環(huán)境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西門(mén)子的 NX等。此時(shí)，最好為他們提供直接嵌入在 MCAD 系統(tǒng)中的熱設(shè)計(jì)解決方案，一來(lái)對(duì)他們輕車(chē)熟路，二來(lái)恰好與企業(yè)現(xiàn)有工作流程完美契合。Mentor 公司的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （CFD） 分析解決方案 FloEFD已經(jīng)植入上述所有 MCAD 系統(tǒng)，并與歐特克 Inventor 和西門(mén)子 SolidEdge 緊密集成，提供專(zhuān)門(mén)的支持模塊用于電子散熱和 LED 照明等應(yīng)用。

從更廣義的角度來(lái)看，熱設(shè)計(jì)應(yīng)位于上述主要 EDA 和 MCAD 設(shè)計(jì)流程之間的某個(gè)位置。承擔(dān)熱設(shè)計(jì)的人員可能是一個(gè)同時(shí)擁有機(jī)械和電子專(zhuān)業(yè)背景的混合人群，他們需要使用上述兩種工具集生成的數(shù)據(jù)，但又對(duì)其運(yùn)行知之甚少。對(duì)于這群人，獨(dú)立運(yùn)行且與上述主要設(shè)計(jì)流程進(jìn)行無(wú)縫集成的解決方案應(yīng)該是最佳選擇。傳統(tǒng)的 CFD 電子散熱軟件就是針對(duì)這一工程師群體和環(huán)境設(shè)計(jì)的。

3. 研發(fā)中產(chǎn)品的類(lèi)型及產(chǎn)量

我們已經(jīng)了解工程師和設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)于熱設(shè)計(jì)的有效運(yùn)作會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響了。其實(shí)，正在研發(fā)中的產(chǎn)品其所屬類(lèi)型及未來(lái)產(chǎn)量對(duì)熱設(shè)計(jì)同樣有影響。

在傳統(tǒng)行業(yè)中（例如航空、核能、汽車(chē)等），CFD 軟件一直用于分析研究產(chǎn)品的性能，主要原因是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。這些行業(yè)中電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)當(dāng)然也會(huì)受到這些因素的影響，關(guān)注重點(diǎn)降低元器件溫度，留出充分的安全裕量，設(shè)計(jì)值往往低于其額定值以延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。因此，設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量設(shè)計(jì)精力用于增加散熱系統(tǒng)的冗余，以致于如果風(fēng)扇發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能在規(guī)定范圍內(nèi)保持正常運(yùn)行，而且更換風(fēng)扇可以在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行。

而對(duì)于今天的高量產(chǎn)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，成本和性能則成為主要決定因素。隨著更新?lián)Q代的步伐不斷加快，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期也被大量壓縮，從概念設(shè)計(jì)到最后投產(chǎn)僅用數(shù)個(gè)月。盡量降低產(chǎn)品單位成本成為設(shè)計(jì)活動(dòng)的主要目標(biāo)，這就需要對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行仔細(xì)研究探索，確保選擇最具成本效益的散熱解決方案，選擇時(shí)要考慮來(lái)自設(shè)計(jì)各個(gè)方面的影響，例如封裝選擇、PCB 布局、電路板架構(gòu)以及圍護(hù)設(shè)計(jì)（包括風(fēng)扇尺寸、位置、通風(fēng)口定位等）。這種獨(dú)特而又具壓倒性的要求（快速分析與設(shè)計(jì)空間探索）引發(fā)了市場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備散熱專(zhuān)用 CFD 軟件的研發(fā)熱潮，這一潮流從上世紀(jì) 80 一直持續(xù)至今。這些解決方案將不同的 CFD 技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的貼體式 CFD 程序，從而實(shí)現(xiàn)快速生成第一結(jié)果，而后則以更快的速度進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。

這種技術(shù)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，對(duì)熱模型的任何修改，包括幾何尺寸更改、網(wǎng)格劃分、解決方案以及對(duì)結(jié)果的后期處理等，可全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。這樣就提供了一個(gè)其他無(wú)可匹敵的功能，既能夠繼續(xù)探索設(shè)計(jì)空間優(yōu)化，同時(shí)又能釋放寶貴的工程資源用于價(jià)值更高的活動(dòng)。

4. 適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展

產(chǎn)品設(shè)計(jì)小型化的總體趨勢(shì)催生了日益凌亂和復(fù)雜的幾何模型，加深了產(chǎn)品中機(jī)械成分與電子成分的緊密集成，其中最為典型的就是移動(dòng)應(yīng)用，代表產(chǎn)品包括智能手機(jī)和平板電腦等。

設(shè)計(jì)小型化在產(chǎn)品級(jí)別的一個(gè)結(jié)果就是流動(dòng)空間被大幅壓縮，從而限制了對(duì)流散熱的范圍。這些小型空間會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空氣出現(xiàn)層流化流動(dòng)，其湍流強(qiáng)度由槽壁生成的剪切力決定（同時(shí)影響著湍流生成與湍流阻尼），這實(shí)際上減少了捕捉湍流效應(yīng)數(shù)值的需求。隨著時(shí)間推移，空氣中的升溫對(duì)于 IC 封裝體內(nèi)部結(jié)點(diǎn)升溫幅度（高于環(huán)境溫度）的影響會(huì)越來(lái)越??；反過(guò)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品小型化趨勢(shì)對(duì)以下方面的要求日益提高：幾何模型精度、材料、表面特性捕獲、表面間輻射以及（在某些應(yīng)用中）太陽(yáng)能輻射等。電源層與接地層中的電流密度以及直流走線已經(jīng)到了相當(dāng)嚴(yán)重的地步，其已成為電路板中的熱源，在后期設(shè)計(jì)中不得不加以認(rèn)真考慮。上述這些技術(shù)性變化將帶來(lái)日益增長(zhǎng)的需求，那就是將熱模型與機(jī)械 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它們所描繪的幾何模型同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成。更小型的功能及芯片封裝尺寸（規(guī)模上與電路板上用于信號(hào)傳遞和功率輸出的銅皮功能相類(lèi)似）則需要采用相應(yīng)的、高水平的細(xì)節(jié)來(lái)呈現(xiàn)。

5. 與設(shè)計(jì)工具集相集成

隨著機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)學(xué)科的逐漸融合，加上產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求在一個(gè)設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行的更改必須及時(shí)反饋到其他流程中。傳統(tǒng)的面向 PCB 設(shè)計(jì)的二維方法現(xiàn)已獲得顯著增強(qiáng)，可以使用三維視圖、庫(kù)和各類(lèi) DRC 選項(xiàng)。

FloTHERM XT 內(nèi)置了 MCAD 內(nèi)核，可以導(dǎo)入利用前述所有主流 CAD 平臺(tái)生成的原始 CAD 幾何模型。經(jīng)由FloTHERM XT 修改過(guò)的零件可以采用同一原始 CAD 格式導(dǎo)出并重新導(dǎo)入至原來(lái)的 MCAD 環(huán)境，確保零件歷史數(shù)據(jù)得以完好保留。

FloTHERM XT 支持與其他公司的 EDA 設(shè)計(jì)套件實(shí)現(xiàn)同步，例如 Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 解決方案聯(lián)盟成員企業(yè)。功能包括對(duì)電路板外形進(jìn)行編輯、對(duì)元器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換、任意角度旋轉(zhuǎn)、任意調(diào)整尺寸等，還支持 IDF 導(dǎo)入。

與 EDA 和 MCAD 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近乎完美的集成是目前熱設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)工作流程有效保持一致的前提條件，但就其自身而言，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

6. 為散熱技術(shù)提供支持

產(chǎn)品小型化趨勢(shì)同樣對(duì)散熱技術(shù)的選擇產(chǎn)生影響。前些年，由于筆記本電腦中的空間有限，人們放棄使用臺(tái)式機(jī)上傳統(tǒng)的軸流風(fēng)扇，改用離心風(fēng)扇進(jìn)行散熱，同時(shí)采用熱管技術(shù)將熱量從 CPU 所在的中心位置引導(dǎo)至位于離心風(fēng)扇下游的熱管散熱翅片部分，然后直接排入環(huán)境中。散熱器和導(dǎo)熱墊也常見(jiàn)用于空間受限的設(shè)備，合成射流技術(shù)也有使用，多見(jiàn)于 LED 照明領(lǐng)域。

創(chuàng)新型的散熱器和風(fēng)扇組件設(shè)計(jì)大行其道，液冷技術(shù)的應(yīng)用也日益增加。FloTHERM XT 可以輕松處理上述所有散熱解決方案，因而是電子設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)在尋求復(fù)雜幾何形狀散熱解決方案時(shí)的理想工具選擇。風(fēng)扇、散熱器、熱管等散熱解決方案通常是外購(gòu)元器件，他們雖然在 EDA 設(shè)計(jì)工具中不發(fā)揮任何功能性作用，也不在企業(yè) MCAD 系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須將其納入設(shè)計(jì)考慮范圍。

熱管或許是個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，從外表看它不過(guò)是長(zhǎng)長(zhǎng)一根細(xì)管子，可任意彎曲，也可根據(jù)需要進(jìn)行擠壓；但它的表現(xiàn)會(huì)影響系統(tǒng)性能，因此，對(duì)于熱管是否按預(yù)期發(fā)揮作用應(yīng)進(jìn)行檢查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 熱特征提取硬件即可進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。散熱器通常形狀復(fù)雜，需要供應(yīng)商以 CAD 模型形式提供詳細(xì)的幾何尺寸。電子散熱 CFD 工具須能夠?qū)肴我飧袷降?CAD 模型。風(fēng)扇需要提供風(fēng)扇曲線，給出壓降與流速的關(guān)系特征以便正確計(jì)算風(fēng)扇與系統(tǒng)中空氣流動(dòng)阻力之間的相互作用。另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，如果系統(tǒng)采用軸流風(fēng)扇時(shí)，電子散熱 CFD 工具應(yīng)能正確分析確定非軸向元器件對(duì)空氣流動(dòng)的影響。這一點(diǎn)在系統(tǒng)流動(dòng)阻力居高不下時(shí)非常重要，會(huì)減少系統(tǒng)中的空氣流量。

7. 處理長(zhǎng)度規(guī)模的范圍

電子系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特之處是其所包含的長(zhǎng)度規(guī)模范圍，從芯片表面的納米到數(shù)據(jù)中心機(jī)架的米，共分九級(jí)。這對(duì)任何 CAE 工具來(lái)說(shuō)都是不小的挑戰(zhàn)，對(duì)于那些使用貼體網(wǎng)格的工具尤其如此。

將所有一切都納入模型既不現(xiàn)實(shí)也不可取。部分原因是，雖然仿真分析可以在某些方面對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供最大幫助，但其中很多信息仍不為人所知。例如，PCB 布線一般要在設(shè)計(jì)后期元器件布局完成后才能進(jìn)行，但糟糕的元器件布局可對(duì)系統(tǒng)熱性能帶來(lái)災(zāi)難性影響。

通常的做法是使用簡(jiǎn)化行為模型處理芯片封裝（通過(guò)一系列緊湊封裝建模級(jí)別，直至詳細(xì)的熱模型）、PCB、風(fēng)扇、散熱器等。在后期設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要將產(chǎn)品各個(gè)方面的幾何模型細(xì)節(jié)納入到設(shè)計(jì)模型中以獲得高保真的仿真結(jié)果，例如詳細(xì)的 PCB 走線層、PCB堆棧中的電源層與接地層、熱臨界部件的詳細(xì)模型、以及所用任何散熱器的詳細(xì)模型。許多公司在各個(gè)不同的封裝級(jí)別都采用傳統(tǒng)的 V 模型來(lái)進(jìn)行熱模型的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證，這樣可以在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中建立對(duì)模型的信心，當(dāng)然，公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)通常并不涉及所有這些封裝級(jí)別。

與設(shè)計(jì)工具集進(jìn)行緊密集成就意味著后期設(shè)計(jì)中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細(xì)幾何模型可以在熱分析軟件中與前期構(gòu)建的模型進(jìn)行交換，從而為前期的概念設(shè)計(jì)和相關(guān)研究提供支持；然后，相關(guān)更新可隨著 EDA 和MCAD 設(shè)計(jì)的逐步細(xì)化而進(jìn)行無(wú)縫應(yīng)用。我們現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⑦@些信息應(yīng)用于熱分析時(shí)都需要哪些條件。

從網(wǎng)格劃分的時(shí)間成本來(lái)看，采用貼體 CFD 網(wǎng)格來(lái)捕捉這一細(xì)節(jié)級(jí)別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，原先用于電子散熱應(yīng)用的笛卡爾方法（因?yàn)橹敖５膸缀文Ｐ屯八乃姆椒健保┈F(xiàn)已被擴(kuò)展用于準(zhǔn)確捕捉非笛卡爾幾何模型。傳統(tǒng) CFD 方法是對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，然后生成網(wǎng)格單元，每個(gè)單元都作為一個(gè)控制體傳輸給 CFD 求解器，而我們則采用與此不同的方法，就是使用每個(gè)網(wǎng)格單元中幾何模型的知識(shí)直接構(gòu)建各種控制體，不必作進(jìn)一步的網(wǎng)格劃分。

8. 使用和重復(fù)使用已存在的數(shù)據(jù)

我們迄今已經(jīng)討論了構(gòu)建和細(xì)化熱模型的物理表現(xiàn)形式時(shí)所需要的東西，以及如何對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)備用于高效的熱仿真，從而與設(shè)計(jì)中的變更保持同步。對(duì)熱模型進(jìn)行及時(shí)更新以反映主要設(shè)計(jì)流程中的最新變化，這對(duì)于及時(shí)做出設(shè)計(jì)決策、避免設(shè)計(jì)返工、加速產(chǎn)品投產(chǎn)進(jìn)程來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

除了幾何模型之外，熱仿真還需要各種其他信息，特別是（種類(lèi)繁多）產(chǎn)品材料的熱數(shù)據(jù)以及元器件的功耗信息。因此，功率數(shù)據(jù)可能需要從功率估算工具導(dǎo)入，格式通常為 CSV 文件，其中采用位號(hào)來(lái)表示熱模型中的元器件，這些數(shù)值需要隨著功率估算的變化而自動(dòng)更新。在相關(guān)細(xì)節(jié)的最精細(xì)級(jí)別，詳細(xì)的封裝模型可能需要一整套芯片級(jí)功率映射來(lái)對(duì)不同場(chǎng)合的片上功率分布進(jìn)行定義，其中每個(gè)芯片都包含多個(gè)不同熱源，而這些熱源又可以進(jìn)行互換，作為瞬態(tài)仿真流程用于評(píng)估產(chǎn)品在不同狀態(tài)下的熱性能。這是一種按“使用案例”或?qū)嶋H功率狀態(tài)（而非使用穩(wěn)態(tài)的熱設(shè)計(jì)功率）進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，讓不同專(zhuān)業(yè)（電氣設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)）工程師之間的工作流程優(yōu)化顯得尤為重要。

電子散熱模型之所以獨(dú)特，是因?yàn)槠浯嬖诙喾N需要實(shí)施的“邊界條件”。除了幾何模型以外，邊界條件包括材料數(shù)據(jù)、熱屬性、表面特性（包括粗糙度）、網(wǎng)格要求以及（如果有風(fēng)扇）性能數(shù)據(jù)和內(nèi)置行為模型等。如果能夠?qū)⑺羞@一切都存儲(chǔ)于單個(gè)零件中，必將大幅減少構(gòu)建模型所需的時(shí)間。

電子散熱工具除了能夠提供一種輕松為創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)建模型的方法外，還需要能夠輕松處理設(shè)計(jì)中可以重復(fù)使用的元器件，例如底板。在現(xiàn)有底板上安裝一個(gè)新電路板應(yīng)該不難，這一流程現(xiàn)通過(guò)庫(kù)功能獲得了極大增強(qiáng)。

Mentor Graphics 提供用于 IC 與功率半導(dǎo)體設(shè)備的熱特征提取硬件，可創(chuàng)建適合在任何熱設(shè)計(jì)軟件中使用的模型，支持對(duì)各種材料（粘合膠、膏劑、熱學(xué)界面材料等）導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。其中一個(gè)功能就是生成精確度無(wú)與倫比的詳細(xì)熱模型，即按照實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)熱模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整直至完全匹配。在樣機(jī)驗(yàn)證階段，還可對(duì)這一功能進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，確保熱模型在電路板和系統(tǒng)級(jí)別的保真度。這些硬件解決方案可與Mentor 的熱設(shè)計(jì)軟件完美集成，提供經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證的熱模型在設(shè)計(jì)中使用和重復(fù)使用的范圍。主動(dòng)式功率循環(huán)設(shè)備可同時(shí)支持對(duì)封裝和模塊的可靠性研究，適用于汽車(chē)及航空航天等可靠性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。

9. 對(duì)不確定性因素的處理

在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，與材料特性和功率相關(guān)的一個(gè)常見(jiàn)困難是這些因素在模型所用值的不確定性。這一不確定性還可延伸至產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的幾何尺寸，例如 PCB 中銅皮層的實(shí)際厚度、粘合劑及其他接口層厚度等。

熱設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)就是確定模型中有哪些不確定因素對(duì)關(guān)鍵器件溫度的影響最大。我們之前討論過(guò)將參數(shù)研究、數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)和優(yōu)化等應(yīng)用于確定性設(shè)計(jì)空間探索的大環(huán)境下，以降低產(chǎn)品成本，提高系統(tǒng)可靠性。同樣的自動(dòng)化方法也可用于確定熱設(shè)計(jì)對(duì)于制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的隨機(jī)變化情況的應(yīng)對(duì)能力。

對(duì)上述因素的評(píng)估完成后，我們就可以將精力集中于對(duì)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方式包括對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)更改和獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于仿真研究。當(dāng)前的行業(yè)發(fā)展前沿是使用測(cè)量值為仿真流程提供支持，此舉已被證明能夠?qū)⑼瓿蔁嵩O(shè)計(jì)所需的總時(shí)間減少 60%，將熱設(shè)計(jì)所需的精力成本降低 60%，最后實(shí)現(xiàn)的模型保真度可將升溫預(yù)測(cè)誤差控制在 5% 以內(nèi)。這種方法完全顛覆了以往在設(shè)計(jì)完成后使用物理樣機(jī)來(lái)更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的傳統(tǒng)做法，而是使用測(cè)量值來(lái)確保熱模型所涉元器件的應(yīng)用有效性，從而可將 90% 的時(shí)間、精力和成本用于虛擬樣機(jī)驗(yàn)證，在熱設(shè)計(jì)完成后幾乎不需要進(jìn)行物理樣機(jī)驗(yàn)證。

10. 壓縮設(shè)計(jì)時(shí)間與裕量

Denso 公司的例子說(shuō)明了企業(yè)如何通過(guò)提高其 CAE 活動(dòng)的保真度來(lái)有效應(yīng)對(duì)壓縮設(shè)計(jì)裕量的壓力。如果使用可與實(shí)際設(shè)計(jì)流程同步的熱設(shè)計(jì)解決方案，就可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間。

與基于貼體網(wǎng)格的解決方案相比，這里從模型構(gòu)建到結(jié)果分析的整個(gè)流程至少可以壓縮 50%。這里很大程度上是去除了生成網(wǎng)格所需的 CAD 幾何模型清理和簡(jiǎn)化步驟，去除了網(wǎng)格劃分期間用于改進(jìn)網(wǎng)格減少網(wǎng)格變形的時(shí)間（網(wǎng)格變形是貼體網(wǎng)格的固有特性，可以影響數(shù)據(jù)收斂和結(jié)果質(zhì)量）。

然而，這僅僅是問(wèn)題的一個(gè)方面。采用 FloTHERM XT，可對(duì)任何來(lái)自 MCAD 或 EDA 設(shè)計(jì)流程的模型進(jìn)行相應(yīng)更新，同時(shí)保留其原有設(shè)置用于處理其原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，只需數(shù)分鐘，模型既可自動(dòng)進(jìn)行重新劃分網(wǎng)格，用于后續(xù)流程。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行報(bào)告，向項(xiàng)目利益相關(guān)方（包括項(xiàng)目業(yè)主、工程總監(jiān)、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)及其他相關(guān)人員）分享信息，這是一項(xiàng)最基本、但又常耗時(shí)費(fèi)力的工作。撰寫(xiě)長(zhǎng)篇大論向決策者們闡述某項(xiàng)設(shè)計(jì)更改合理性的日子一去不復(fù)返了。使用優(yōu)秀的工具可以壓縮整個(gè)流程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括報(bào)告生成。專(zhuān)業(yè)的工具會(huì)清楚知道哪一類(lèi)結(jié)果可以影響決策（例如 Tc 和 Tj），然后不遺余力地報(bào)告這些結(jié)果。此外，可能還會(huì)向非專(zhuān)業(yè)人士指出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法。這些技術(shù)可以繪制圖表向企業(yè)管理層證明，他們畫(huà)在紙巾上的空氣流動(dòng)箭頭在實(shí)際產(chǎn)品中并不是那么回事。

他們可能還提供響應(yīng)面優(yōu)化 （RSO） 功能，可幫助設(shè)計(jì)人員了解哪些變量會(huì)影響設(shè)計(jì)而哪些不會(huì)，并根據(jù)對(duì)這些變量的對(duì)比分析預(yù)測(cè)出最佳組合方案。RSO 還可以針對(duì)由 DoE 生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，按不同的成本（或目標(biāo)）函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

下一步發(fā)展趨勢(shì)

其實(shí)，本文沒(méi)有涉及的一個(gè)話題（無(wú)論作為挑戰(zhàn)抑或是潛在方案）就是自動(dòng)化，因?yàn)檫@是一個(gè)剛剛出現(xiàn)且正被業(yè)內(nèi)一流企業(yè)逐步采用的發(fā)展趨勢(shì)。

企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需求源自于對(duì)提高設(shè)計(jì)流程可靠度的需求，他們需要消除人為誤差及可變性的影響，因?yàn)槿魏蝺蓚€(gè)專(zhuān)家級(jí)分析師也無(wú)法針對(duì)同一種物理狀態(tài)構(gòu)建出完全相同的模型來(lái)。與此相關(guān)的是，它承認(rèn)專(zhuān)家組分析師是企業(yè)的稀缺資源，應(yīng)該從繁瑣的日常事務(wù)中解放出來(lái)，集中精力從事具有更高附加值的工作，例如更早地介入下一代設(shè)備的設(shè)計(jì)工作，而不是解決當(dāng)前一代設(shè)計(jì)后期的問(wèn)題，因?yàn)檫@樣會(huì)不可避免地導(dǎo)致歷史本身不同重復(fù)。自動(dòng)化流程可讓企業(yè)對(duì)其最佳實(shí)踐進(jìn)行一次性定義，然后通過(guò)自動(dòng)化流程對(duì)其進(jìn)行封裝固化，即可以 100% 的可靠度進(jìn)行全面應(yīng)用。

機(jī)架式產(chǎn)品通常會(huì)提供多種不同配置，采用不同的電路板和板位組合，其底板可以在同一產(chǎn)線的不同代之間進(jìn)行通用和升級(jí)。因此，最為方便的做法是將不同配置的仿真流程進(jìn)行自動(dòng)化處理，只需從可用選件列表中選擇與卡槽對(duì)應(yīng)的板卡，然后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)捕捉其中的關(guān)鍵結(jié)果，例如器件結(jié)溫等。

結(jié)束語(yǔ)

電子產(chǎn)品的復(fù)雜性與日俱增，降低設(shè)計(jì)裕量就需要采用針對(duì)具體“使用案例”的瞬態(tài)仿真來(lái)提高設(shè)計(jì)精確性，摒棄以往采用假設(shè)保守的功率估算進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)仿真。功率密度也隨著各封裝級(jí)別外形尺寸的縮小而與不斷增加。

從降低成本的角度考慮，就需要用更少的時(shí)間提出更加準(zhǔn)確的解決方案，允許必要的設(shè)計(jì)空間研究，從而讓最終產(chǎn)品既具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，又確保性能可靠性。熱設(shè)計(jì)仿真所用技術(shù)的選擇、所選解決方案對(duì)企業(yè)現(xiàn)有工作流程的契合度以及企業(yè)員工的專(zhuān)業(yè)背景和實(shí)際技能，是提高企業(yè)工程生產(chǎn)率水平的關(guān)鍵所在。

責(zé)任編輯：haq