专业的电子热分析软件 ICEPAK介绍

 

 北京天源博通科技有限公司

 日   期：2005-1

 目录
一、 电子热设计重要性
二、 需求分析
三、 FLUENT公司简介及天源公司情况
四、 ICEPAK软件技术特征
五、 ICEPAK软件在电子工业的应用情况

 一、 电子热设计的重要性

电子设备热设计是指对电子设备的耗热元器件以及整机设备或系统的温升进行控制所采取的措施，其目的在于保证电子设备或系统正常、可靠地工作。电子设备的功能设计是产品的“卖点”，解决的是在市场上有没有人要的问题；而可靠性设计则主要考虑能否投入市场，使产品能顺利、可靠地运行，并尽量减少售后服务的成本和满足苛刻条件的要求。电子设备均处于一定环境中存储、运输和工作，这些环境因素包括：气候、机械、电磁、生物、化学以及特种环境等，如不采取有效的环境保护措施，将导致电子设备及系统功能的降低、失效或损坏。而诸多环境因素中，温度（包括高、低温及其循环）对电子设备的影响尤为关键，图1是对元器件失效原因所进行的统计（资料来源：美国空军航空电子整体研究项目，US Air ForceAvionics Integrity Program），从中可以看出温度是影响元器件可靠性的主要因素。另外，电子设备的运行实践表明：随温度的增加，元器件的失效率呈指数增长，这在不同程度上降低了设备的可靠性，图2 所示为器件结温与失效率示意图。

电子设备在工作时，输出功率通常只占输入功率的一小部分，其它大部分损失都以热能形式散发出来。随着时钟频率快速提高、封装变薄、封装的pin pitch减少、IC chips功能更复杂、封装的footprint数降低以及电子设备向大功率和小型化方向发展，导致电子产品过热的问题显
得越来越突出。因此，为保证电子设备在相应的工作环境下长期、稳定地工作，热设计这一环必不可少。
 

二、 需求分析
在电子产品中，元器件的工作温度是影响其可靠性指标的一个重要因数。电子器件的工作温度和可靠性之间存在一种可预测的关系，因此，为保证产品工作在允许温度的范围内，设计人员都要千方百计地提高散热效率、改善换热环境。随着超大规模集成电路的发展和电子组装密度的提高，使得单位体积容纳的热量越来越多，并且还要满足电磁兼容地要求，处于降噪条件下的电子产品要求拆去风扇，特别是对工作在恶劣环境中的电子产品要求其必须是全封闭的，这样使得电子产品的散热环境进一步恶化，因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位。如今电子产品的设计已进入了面向并行工程CAD／CAE／CAM的时代，设计及评估人员都面临着掌握热仿真技术的极大挑战。
  一）热设计的基本步骤
1．根据电子设备的寿命剖面和任务剖面，确定设备的热环境：包括设备周围的空气温度、湿度、气压、空气流速、设备周围物体的形状和黑度、日光照射以及有无空调、空调空气的温度和速度等。
2．进行热分析：通过热分析确定系统和单元的传热途径，确定最佳的冷却方法及确定各个传热环境的热阻，以便进行有效的热设计。
3．进行热设计：电子设备进行系统热设计时应与电路和结构设计同步进行。在电路设计时，应尽量减少电路发热量、减少发热元件的数量；选择耐热性和热稳定性好的元器件、原材料，采用降额设计法等。在结构设计时应合理地选择冷却方法，进行传热通道地最佳设计，尽量减少热阻和摩擦发热部件，采用耐热性好地原材料等。
4．进行热设计仿真和评审：设备冷却方法的确定及冷却介质流量的估算主要取决与设备（元、
件）的发热功率，发热设备（元件）的散热面积，发热元件，热敏元件（和设备）的最高允许工作温度及环境温度等数据是否合理，结构上的排列是否根据元件的电气性能和热特性等综合考虑，因此必须采用一定的方法和手段审核，进行改进设计。
5．进行热试验和热测量：热测量是指对电子设备的样机或模型的各种热性能参数的测量，其目的在于检测热设计的效果和预计该设备所能达到的热性能指标，并对冷却系统的适用性和有效性进行评价。内容包括：检查所设计的冷却系统是否达到预定的技术指标；对机柜，集中发热元器件，整机系统的热性能参数进行测量，为热设计和改进设计提供计算数据。其中具体热测量的参数有：
关键元器件、散热器及其他冷却装置的表面温度；
机柜系统内的温度分布；
机柜或机框内风道处的空气流量和压力损失；
液体冷却系统中的流量和压力损失等。
二） 引入CAE 技术，提高热设计水平
在产品开发过程中，如何降低成本，使工艺流程能更加迅速地反应市场变化，是一项艰巨任务，引入计算机辅助工程（CAE）技术能够加快产品开发周期、降低开发成本。在电子设备热分析中，电子设备热分析软件通过模型建立、模型求解和结果解释三方面能够分析单个元件、多芯片模块、散热器、PCB 板直至整个电子系统，因此，设计人员在系统设计阶段就可以进行电子设备的系统性综合分析和元件级的详细分析，以期解决如下问题：
 优化电子系统内关键器件的位置；
 对电子系统强制对流和自然对流冷却等几种方案进行综合比较；
 设计风扇、通风口的位置尺寸；
 确定单板与单板之间和电子系统内各个部件之间的空间大小；
 优化散热器的形状和尺寸以最大限度地发挥其散热效率；
 提高散热孔和散热片地热传递效率。
由于电子产品热设计软件在界面、精度、可靠性、鲁棒性、速度等方面都已成熟，因此，对于电子设备热设计工作有如下优点：
 改善产品性能和可靠性；
 加快产品上市时间；
 减少设计反复次数；
 快速获取研究参数，优化设计方案；
 降低成本。
三） 用热分析软件进行热设计
在设计开发流程中进行的热分析热仿真流程一般包括以下四个层次：环境级（Environment）--系统运行工作所处于的物理环境；系统级（Systems）--电子设备机箱、机柜等系统级热分析；组件级（Components）--电子模块，散热器，PCB 板等级别的热分析；封装级（Packages）--元器件级别热分析。
针对电子设备的散热特点，采用热分析软件进行热设计优化。系统级分析一般处于设计的开始阶段，用最少的工作获得最大的信息，这一阶段只需要近似的几何形状和功耗，其目的为：优化主要部件（比如通风口、风扇等）的形状位置和设计的可行性；确定风扇、通风口和PCB 之间的流体分布；确定系统的温升；定位热点等等。详细系统级分析一般处于设计循环的晚期或是对现有方案的验证，其作用包括：提高系统级分析的精度；确定空气的温度、速度、压强，为做细化的局部分析做准备；固体表面温度的估计；固体周围空气温度的精确计算。局部分析一般也处于设计循环的晚期或是对现有方案的验证，并且多数是针对元器件的结温，其作用包括：精确分析固体内部温度和其周围空气的温度和压强等。

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