FloTHERM优化电子设备热设计

 

 

　FloTHERM作为电子行业热分析软件的市场领导者，拥有相当广泛的用户群。很多公司都喜欢使用FloTHERM进行热传-流动分析，并对投资回报率信心十足。在最近的一次调查中显示，98%的用户愿意向同行推荐FloTHERM，本文将详细介绍FloTHERM是如何帮助各行业的企业解决其所面临的热管理问题的。

　　一、概述

　　FloTHERM是一款强大的应用于电子元器件以及系统热设计的三维仿真软件。在任何实体样机建立之前，工程师就可以在设计流程初期快速并简易地创建虚拟模型，运行热分析以及测试设计更改。FloTHERM采用先进的CFD(计算流体力学)技术，预测元器件、PCB板以及整机系统的气流、温度和传热，如图1所示。

　　不同于其他热仿真件，FloTHERM是一款专为各类电子应用而打造的分析工具，其应用行业包含：

　　◎电脑和数据处理;

　　◎电信设备和网络系统;

　　◎半导体设备，集成电路(ICs)以及元器件;

　　◎航空和国防系统;

　　◎汽车和交通运输系统;

　　◎消费电子。

　　FloTHERM以专业、智能和自动而著称，区别于其他传统分析软件。这些功能可协助热设计专家们将产能最大化，帮助机械设计工程师将学习过程减到最少，并为客户提供分析软件行业最高比率的投资回报率。

　　在中小型企业，一年时间，投资FloTHERM所带来的收益就是投资成本的数倍，公司规模越大，成本回收的速度越快。用户可以从以下方面体验到使用FloTHERM解决电子热设计问题所带来的惊人利益：

　　◎生产硬件前解决热设计问题;

　　◎减少重新设计工作，降低每单位产品成本;

　　◎增强可靠性和提高整体的工程设计程度;

　　◎显著地缩短上市时间。

　　二、建模功能

　　1.SmartParts

　　FloTHERM软件提供了专门应用于电子设备热分析的参数化模型创建宏(SmartParts)，能够迅速、准确地为大量电子设备建模。SmartParts技术应用范围：散热器、风扇、印刷电路板、热电冷却器、机箱、元器件、热管、多孔板和芯片。

　　SmartParts器件凝聚了Mentor Graphics公司Mechanical Analysis Division 20多年来在电子冷却建模领域的经验，旨在提高建模效率，最小化求解时间，并最大化结果的精准度。

　　主要功能包括：

　　◎SmartParts完整集群(参数化模型创建宏);

　　◎多级SmartParts器件(同一项目可提供简约模型和详细模型);

　　◎资源管理器样式的项目管理器，配备拖放功能;

　　◎CAD风格、鼠标绘制图板以及拖放功能创建和操作模型;

　　◎多重嵌入式局域化网格，在确保计算精度的同时大大提高计算效率和处理复杂结构的能力;

　　◎模型库包含数千种器件和基本形体的FloTHERM模型，如风扇、鼓风机、元器件、散热器、材料和热界面材料等;

　　◎与物体相关联的网格模式使建模和网格生成一步完成。

　　2.智能的MCAD与EDA接口

　　FloTHERM拥有业内最优秀的MCAD和EDA(Electronics Design Automation，电子设计自动化)接口。FloTHERM不仅可兼容Pro/ENGINEER、Solidworks、CATIA以及其他主流MCAD软件数据，还支持模型的导入和导出。另外，FloTHERM的EDA接口不但支持EDA软件的IDF格式PCB板模型导入，还可直接通过接口读入Allegro、Board Station以及CR5000等软件的走线、器件参数以及过孔等详细模型。

　　3.网格

　　FloTHERM采用正交网格技术——当今最稳定的高效数值求解网格技术，同时采用先进的非连续嵌入式网格和Cut Cell网格切割技术。局域化网格功能可在需要时进一步细化网格，将求解时间缩至最短。

　　FloTHERM软件配有专门针对于电子散热行业的半自动网格技术。FloTHERM网格与SmartParts紧密关联，网格生成在FloTHERM中处理为建模的一个步骤，用户可控制网格细化程度。该技术直观简洁，满足了工程师专注于设计的需求。

　　操作传统CFD软件需要大量时间和专业技术，相反，FloTHERM网格生成快捷，网格质量稳定。同时，FloTHERM是惟一一款使用与物体相关联的网格模式的分析软件，避免了模型修改时重新生成网格。

　　三、求解器和优化设计

　　1.参数化分析和优化

　　基于SmartPart的建模和结构化笛卡尔网格使得FoTHERM模型可采用DOE试验设计(Design of Experiments，DOE)技术。试验设计是一种决定设计参数(如散热器翅片个数和通风孔位置等)和结果(如元器件温度和风扇流量等)之间关系的结构化方法。FloTHERM采用DOE技术后，在原始模型基础上改变设计变量，求解大量不同参数的模型，有效地协助用户探索广泛的设计空间。这为对比不同设计参数模型的分析结果提供了重要信息，从而尽量减少需要求解的模拟模型，同时，这也为采用功能强大的响应面优化设计法和顺序优化法奠定了基础。DoE优化设计，根据用户设计的方案，自动计算选优。

　　FloTHERM通过计算所有相关结果的响应面而扩展了这个优化功能。响应面法优化(RSO)是从DOE结果中分离出来的数值方程，实时评估设计空间内任意位置的热设计方案。用户可将实时二维和三维云图与响应面结构结合，通过滑动标尺设置设计参数数值。响应面也完全支持用户自定义成本函数的数学最优化，不需要求解额外实例，就可评估最优求解方案。

　　同时也可执行成本函数的自动循序优化(SO)。这种基于梯度的方法将对原始模型不同变量建立新模型并对之运行求解，这种方法能够无误地选出并确定最优热设计求解方案。循序优化可帮助理解设计约束(如最高元件温度)，并将这些信息包含在软件自动选取的最优方案中。如图2所示。

　　2.求解器

　　20多年来，FloTHERM的求解器一直专注地为解决电子设备散热应用而打造。求解器基于笛卡尔网格系统，运算结果精确，单位网格之运算速度全球最快。针对大面积的不规则模型，FloTHERM采用“局域化”网格技术。该技术能够对不同求解域的元件之间生成相互匹配、嵌套和非连续网格界面。针对电子系统内部的热耦合特性，目前FloTHERM采用了先决耦合残差算法和灵活多重网格循环技术来处理这个问题。务实、独特和精准的求解终端标准能够快捷地生成的结果，满足实际工程需求。

　　3.瞬态分析

　　FloTHERM强大的瞬态分析能力使得其能够预测大范围的瞬 态行为。可将散热量与时间变化对应的信息用“.csv”格式文件 导入软件，定义随时间变化的散热情况。据此，可生成关于元 件温度随时间变化的精确报告，而不再是像过去提供的是基于 恒定状态的能量消耗量。

　　主要功能包括：

　　◎同步求解传热主要形式，包括对流、传导和辐射;

　　◎求解终端可选择为基于用户自定义检测点的收敛;

　　◎分析含多种冷却介质的散热系统的能力;

　　◎模拟紊流或层流的能力;

　　◎在线性渐变、能量增加、指数增加、正弦曲线、周期性变化、或导入的随时间变化的“.csv”文件中的所有变量均可定义为瞬态变量;

　　◎全自动辐射换热和全自动辐射传热系数的计算;

　　◎自动加载太阳辐射项目的边界条件。

　　四、可视化

　　FloTHERM可视化后处理模块转为提高电子设备散热设计速度而研发。完全逼真的模型、三维流动动画和处理温度动态变化的工具，以及流动结果，协助工程师迅速高效地发现热设计问题所在，并将设计修改以可视化形式呈现。动态流线和示踪粒子运动图方便了工程师同步具备热设计功底的同事交流。

　　主要功能包括：

　　◎复杂、三维气流流动动画;

　　◎热传流动的动画形式的轮廓图;

　　◎等值面图和表面云图;

　　◎向量或流线体现气流，用颜色区分温度和速度;

　　◎输出AVI格式动画;

　　◎动态示踪图帮助用户更好理解复杂气流的流动;

　　◎图片纹理增强真实感。

　　FloTHERM可视化后处理后的结果(图3)，显示了气流流动迹线，并用不同颜色表示流速，为工程师提供了如何布局LED电视机通风孔的信息。

　　横切面图(图4)，显示了产品元件、外壳以及空气之间传导、对流和辐射效果下温度的分布情况。

　　五、FloTHERM产品套餐

　　1.

　　能快速将机械计算机辅助设计(MCAD)软件的数据导入到FloTHERM。兼容的MCAD软件包括Pro/ENGINEER、SolidWorks和CATIA等。

　　不仅仅是一个接口文件，它能智能地为某一特定元件或组件筛选模型信息，并为分析流程创建一个简约的热等效模型。该步骤非常关键，因为生产制造流程用的MCAD固体模型包含大量热分析时不需要的细节(倒角、小孔、切角和螺母等)。这些细节不仅对于提高热分析结果精准度没有任何帮助，反而会极大地减慢求解速度。对元件细节的转化功能大大地提高了建模的效率。

　　2.

　　能方便、快捷地将印刷电路板设计从电子设计自动化(EDA)软件中导入到FloTHERM中，兼容的EDA软件包括 BoardStation、Allegro和CR5000等。

　　通过提取EDA工具内的走线、器件参数等信息创建FloTHERM可读取的PCB板布局的模型。通过细化(用户可自行控制细化程度)的热传导率分布图来说明每层铜的分布情况。该滤过功能使得PCB内复杂的铜分布情况用非常精准、简洁明了的方式显示，删减模型细节。

　　导入模型后，的众多功能帮助快速描述PCB板的更多特征：

　　◎对于在EDA工具中不体现而对热分析很重要的常见元件(如散热器、导热孔、子板和屏蔽罩等)，可通过一次简单点击鼠标建立该器件模型;

　　◎元件筛选功能，忽略对热分析结果影响微小的部件，提高计算时间;

　　◎自动或手动选择FloTHERM元件库中的器件，替代EDA工具中相应的元件;

　　◎导入和导出可视化的热能分布图。

　　非常适合现行的设计流程，允许用户快速导入现有的EDA数据，并简单地进行必要的模型简化。

　　3.

　　是一款基于网络的软件程序，提供可靠、准确的IC封装以及相关器件的热模型，而生成这些模型，仅需要用户提供最基本的芯片封装参数。为满足封装设计领域日益增强的创新意识而设计，基于网络，并为每一个元件都设计了参数化设置菜单。用户只需使用日常应用的浏览器，输入描述IC封装的数据，就可充分利用。例如，想要建立一个BGA 封装模型，用户只需要输入如下这些数据：焊球/管脚数目、衬底传导率、裸片尺寸以及衬底金属层厚度和覆盖率。

　　如果用户没有元件内部模型的详细信息，内的JEDEC标准模型库的SmartParts向导可帮助用户快速轻松地创建基于其预测的热分析模型，而用户只需回答关于这个元件的三四个问题。利用基于行业设计惯例的智能化内置规则，SmartParts向导自动搜寻到其他相关信息。

　　同样允许用户预览三维模型，确认输入的参数正确。快速浏览后，将模型下载到电脑，拖入FloTHERM分析模型中。

　　的功能可以为用户带来产能的极大提升。事实上，用户用在元件建模上的时间减少了20甚至更多。考虑了模型创建过程的每一步，完全可以帮助用户集中精力于优化设计。

　　支持业内应用广泛的所有封装形式，包括球栅阵列封装(BGA)、引线封装(Leaded Packages)、针脚栅格阵列 封装(Pin Grid Arrays)、晶体管外形封装(Transistor Outline Packages)、芯片尺寸封装(Chip-Scale Packages)以及堆栈封装(Multi-die Packages)。

　　4.

　　是一款独特的高效的PCB研发软件，不仅为优化印刷电路板热设计提供了一种跨专业的设计环境，使电路板设计工程师们能够在设计电路板的概念阶段开始就很容易地将热设计也考虑在内。而且，还可以应用于PCB详细设计阶段、系统级验证阶段的热设计，贯穿了PCB设计周期的始终。不仅确保了PCB板可靠的热设计，同时加快了PCB板设计流程。可加快印刷电路板散热设计过程，此过程甚至能够从绘制功能模块原理图开始，并且使系统构架工程师、电路(硬件)设计工程师和机械热设计工程师们能够在共同的设计环境中进行协作。一个简单的鼠标点击就能实现电路板在功能模块原理图、物理布局模型和热分析结果这三种不同视图之间的切换。在其中任何一个视图中所做的改动，会立即反应在其他视图中，使整个设计团队保持“同步”，并使其在各个方面的设计改进能实时地反映到整体设计开发过程中。由于产品在电气性能、机械结构和散热等方面的问题可以在详细设计开始之前就得到解决，就可使优化设计更省时，大大减少了重复工作的成本。