電子產品散熱分析｜SimLab

電子產品熱模擬特點有哪些？

• 體積小，功率密度高、關注熱敏感元器件

• 冷卻方式包含:自然冷卻、風扇冷卻、液冷（liquid-cooled,常見有水冷、油冷）、熱管等

• 不同維度:晶片級，板級，系統級

• 複雜的電子設備結構，包含上千個元器件

電路板的元件圖

航空電子設備的主機殼

【 SimLab Electronics Thermal 熱分析專用工具 】

• 基於 FVM 演算法的熱流體求解器 ElectroFlo（技術源自 TES International 公司，已被 Altair 收購）

• 快速建模，無需幾何清理，全自動六面體網格，讓使用者專注於產品熱設計

• 熱分析物件：主機殼機櫃、PCB板、消費電子產品

• 可導入 MCAD（NX / Catia / Creo）和 EDA (ODB++ / Altium / Mentor / Zuken / Cadence) 數據

• 電-熱耦合分析，半導體製冷，晶片熱網格模型

• 風扇模型、水冷通道、湍流模型、熱輻射

• 支持 DOE，熱固耦合

SimLab Electronics Thermal 模組

【 Electronics Thermal 分析流程 】

Step1: 導入 CAD 和 ECAD 數據	Step2: 幾何離散
Step3: 六面體網格	Step4: 求解/後處理

【 網格建模方法 】

       Electronics Thermal 將導入的 CAD 模型先離散成網格化的幾何（Geometry Discretization），然後在此基礎上加密六面體網格。對於關鍵部位可以用 Mesh Control 工具局部加密。

       對於薄片的特徵，採用 Key Planes 工具指定。Key Planes 的位置會隨幾何尺寸的變動自動更新。

 

【 PCB 板的建模 】

• PCB 通常含有太多細節，有些銅線只有幾十微米，很難用網格捕捉。

• PCB trace mapping 工具可以根據金屬比例（例如：含銅量）自動等效材料屬性，將模型簡化。

導入的原始 PCB 詳細資料

根據每個網格的材料體積分數自動簡化 PCB 模型 紅色為金屬材料，藍色為非金屬材料

 PCB 簡化可針對 PCB 整體，也可以具體細化到每一層：
 

       Layer Definition 工具可以預覽/修改 PCB 層的資訊，並選擇需要導入哪些層。

 

 

       如果 SimLab 自動將多層 PCB 轉換為均勻的各向同性或各向異性材料，可選擇 Simplify PCB as a single body 選項 。

 

       PCB 簡化工具不僅考慮了等效的熱屬性，也能考慮電屬性和機械屬性（用於強度分析，疲勞失效分析）：

 

PCB 正交各向異性熱屬性等效原理

 
PCB 材料機械性能定義

【 晶片熱模型 】

• 導入 csv 檔，批量定義晶片的2R熱模型
• 使用者選擇 PCB 板，SimLab 自動識別晶片和板的接觸面
• 計算結果自動輸出每個晶片的板溫，殼溫和節溫

 導入晶片 2R 熱模型的 csv 資料

2R 晶片熱模型

計算過程自動監測晶片溫度

.
 

【 液冷模型 Liquid Cooling 】

.......模型可以包含空氣冷卻區域和液冷區域，且兩種冷卻介質的區域可以分別選擇不同的湍流模型。

 

液冷區湍流模型

 
風冷區湍流模型

【 感測器 Sensor 】

• 用於記錄元器件、或自訂監測位置的物理量，如溫度，風速，電壓等 

• Senor 的物理量也可以作為求解器收斂的判斷準則，例如有些情況下數值殘差收斂了，但是溫度還在上升
  
   

Sensor 在計算過程中 Plot 曲線

可選擇某個 sensor 值作為收斂依據

【 主機殼的簡化出風口模型 Vent 】

      為避免對複雜的格柵直接建模，可由 Vent 指定主機殼通氣格柵的開孔率和壓力損失係數。

 出口格柵的空氣流量和壓力損失

【 溫度控制器 Thermostat 】

.......根據溫度回饋控制多個參數，包括：風扇的開/關、輻射、對流參數、電流、電壓、控制溫度以及晶片發熱功率等。

【 風扇模型 Fan 】

• 風扇參數輸入模式包含：品質流量、體積流量、P-Q 曲線及轉速/直徑等
• 考慮風扇電機自身發熱
• 考慮風速的旋轉分量
• 考慮風扇失效模型（類似阻力單元）
• Thermostat 回饋控制，監測溫度達上限打開風扇，溫度達下限關閉

 計算過程中 Plot 風量和風壓曲線

【 半導體製冷模型 TEC 】

.......基於半導體製冷 Peltier 效應，當電流流經電路時，除了產生焦耳熱外，在兩種不同材料的接觸點處會發生熱量轉移，導致一個接頭處吸熱而另一個放熱。
 

半導體製冷模型 TEC

半導體製冷原理圖

【 互動式設計變動 】

.......使用者可將熱敏感元器件稍微遠離熱源，快速完成設計變動分析，進而互動式操作模型物件。

主機殼的空氣流速

主機殼的固體溫度

互動式快速設計變動 操作演示

       可以看到本案例的元器件位置變動後，原先超出溫度上限的問題得以解決。

原設計

調整位置後

【 批量設計變動 DOE 】

.......DOE 參數化研究散熱片的2個參數（翅片個數 N 和高度 H）對 CPU 和變壓器溫度的影響。
 

【 案例1：航空電子主機殼風冷模擬 】

•    主機殼包含3塊 PCB 板+300個部件，PCB 採用簡化模型
•    2千6百萬六面體網格，穩態工況12 CPU 核計算5~6小時
 

主機殼表面溫度

PCB 板的溫度

自動輸出晶片的溫度清單

瞬態工況的監測點溫度曲線

【 案例2：PCB 板自然冷卻 】

• PCB 有2層0.03mm厚的銅層，分析對比了銅層對溫度的影響。
• Non-CFD 分析模式，忽略外部空氣區，僅計算導熱，單 CPU 計算時間10分鐘。

考慮銅層的 PCB 熱模型，正背面的溫度

.......對比兩種模型的溫度，考慮銅層的模型具有更好的散熱效果，最高溫度明顯低於忽略銅層的模型。
 

 忽略銅層的 PCB 溫度

考慮銅層的 PCB 溫度

【 案例3：電動汽車逆變器溫度場分析 】

• 逆變器模型的發熱元件包含二極體，開關，電容，晶片和匯流排。

• 匯流排發熱採用熱電耦合，水冷板採用 Liquid Cooling。
   

  

逆變器的模型

逆變器的表面溫度

Pin Fin表面溫度

【 案例4：PCB 板的熱固耦合分析 】

• 首先進行 PCB 板瞬態溫度場分析，接著用 mapping tool 將溫度場資料傳遞給結構求解器 OptiStruct 進行翹曲分析。
• 兩種分析類型採用同一 ECAD 資料，使用者可在 SimLab 左側的模型樹切換不同的求解器。

PCB 板瞬態熱固耦合操作演示

【 案例5：電熱耦合分析 】

.......分析 Busbar 的焦耳自發熱現象。使用者輸入材料的電阻率，電流和電壓，SimLab 自動耦合求解溫度場和電場方程。
 

Busbar 熱電耦合操作演示

【 案例6：半導體製冷模型 】

       TEC 部件位於散熱片和發熱晶片之間，導入 TEC 的電參數 *csv 檔，分析機箱的溫度場。
 

半導體製冷模型操作演示

文章出處：Altair原廠