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

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【 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12CPU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