電子產(chǎn)品   設(shè)計

電子設(shè)備的小型化趨勢正在持續(xù)增加所有封裝級別的功率密度。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)動因素，其結(jié)果就是設(shè)計裕量越來越少，對過度設(shè)計的容忍度越來越低。這一點對于產(chǎn)品的物理設(shè)計來說尤其準(zhǔn)確，因為過度設(shè)計會增加產(chǎn)品的重量和體積，很多時候還會增加制造和組裝成本，從而增加最終產(chǎn)品的成本。

有效散熱對于電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運行和長期可靠性而言至關(guān)重要。將部件溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)是確定某項設(shè)計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。如果沒有散熱系統(tǒng)，大部分電子產(chǎn)品用不了幾分鐘就會發(fā)生故障。漏電流以及由此產(chǎn)生的漏電功耗會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)計要求呢？

要回答這個問題，我們需要探討電子產(chǎn)品熱設(shè)計領(lǐng)域面臨的以下 10 個關(guān)鍵難題。

1. 熱設(shè)計所涉及的工科范圍

電子散熱（或稱為熱設(shè)計）其實是一個相當(dāng)小眾的細(xì)分領(lǐng)域。二十年之前，熱設(shè)計通常是企業(yè)中的集中設(shè)計活動，配有熱專家團(tuán)隊，成員主要是具有熱傳遞知識背景的機(jī)械工程師，為所有業(yè)務(wù)部門提供熱設(shè)計服務(wù)。當(dāng)時，產(chǎn)品的機(jī)械部分（包括任何散熱解決方案）與電子部分是獨立進(jìn)行設(shè)計的。那時的產(chǎn)品開發(fā)速度非常緩慢，因為大部分精力仍然放在產(chǎn)品的物理樣機(jī)研究，用于糾正設(shè)計完成后可能出現(xiàn)的問題。但今天，熱設(shè)計作為一個學(xué)科領(lǐng)域可能由負(fù)責(zé)某個產(chǎn)品設(shè)計的跨學(xué)科團(tuán)隊中由一個或多個成員來完成（具體視公司或行業(yè)情況而定）。

對于那些以確保產(chǎn)品熱運行正常為己任的設(shè)計師來說，熱設(shè)計既可以是專職工作，也可以是兼職工作；他們可能是同時涉足產(chǎn)品機(jī)械的通才（而非熱處理專家），也可能是電子專業(yè)工程師。

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

圖 1：FloTHERM XT 的界面可提供全面的 MCAD 支持

2. 不同的目標(biāo)設(shè)計環(huán)境

為什么當(dāng)初熱設(shè)計人員都來自機(jī)械或電氣專業(yè)背景？部分原因在于歷史上企業(yè)對熱設(shè)計的一貫看法，以及因此而產(chǎn)生的熱設(shè)計如何與其他設(shè)計活動相結(jié)合的問題。

在部分企業(yè)中，熱設(shè)計可能被視為 PCB 設(shè)計流程的一部分，與主要的電子設(shè)計并行，尤其是設(shè)計用于標(biāo)準(zhǔn)插 架的產(chǎn)品時；在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計任務(wù)的則可能是電子工程師，習(xí)慣使用 EDA 工具，例如 Mentor 公司的Xpedition Enterprise [1]。此時，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)計規(guī)則檢查、電源完整性、信號完整性、三維電磁以及模擬仿真等。

圖 2：HyperLynx 的熱設(shè)計界面圖片（其中顯示的是熱模型）

而在另一方面，熱設(shè)計可能被視為與產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計部分并行，這一點在傳統(tǒng)行業(yè)（例如汽車行業(yè)）較為普遍，因為這些產(chǎn)品中的電子成分一直增長緩慢，直到最近幾年。在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計任務(wù)的則可能是汽車工程師、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 或西門子的 NX等。此時，最好為他們提供直接嵌入在 MCAD 系統(tǒng)中的熱設(shè)計解決方案，一來對他們輕車熟路，二來恰好與企業(yè)現(xiàn)有工作流程完美契合。Mentor 公司的三維計算流體動力學(xué) (CFD) 分析解決方案 FloEFD [2] 已經(jīng)植入上述所有 MCAD 系統(tǒng)，并與歐特克 Inventor 和西門子 SolidEdge 緊密集成，提供專門的支持模塊用于電子散熱和 LED 照明等應(yīng)用。

圖 3：西門子 NX 界面圖片（其中顯示的是 FloEFD 熱模型）

從更廣義的角度來看，熱設(shè)計應(yīng)位于上述主要 EDA 和 MCAD 設(shè)計流程之間的某個位置。承擔(dān)熱設(shè)計的人員可能是一個同時擁有機(jī)械和電子專業(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)，但又對其運行知之甚少。對于這群人，獨立運行且與上述主要設(shè)計流程進(jìn)行無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這一工程師群體和環(huán)境設(shè)計的。Mentor 公司的 FloTHERM 套件中包含F(xiàn)loTHERM、FloTHERM XT 、FloTHERM PCB 和 FloTHERM PACK，并輔以FloMCAD.Bridge  、FloEDA.Bridge 和Command Center，提供最全面、最綜合的工具集。

圖 4：FloEDA 橋接（其中顯示的是插滿器件的 PCB 板熱模型）

3. 研發(fā)中產(chǎn)品的類型及產(chǎn)量

我們已經(jīng)了解工程師和設(shè)計環(huán)境對于熱設(shè)計的有效運作會產(chǎn)生怎樣的影響了。其實，正在研發(fā)中的產(chǎn)品其所屬類型及未來產(chǎn)量對熱設(shè)計同樣有影響。

在傳統(tǒng)行業(yè)中（例如航空、核能、汽車等），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)計時間相對較長，對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)計當(dāng)然也會受到這些因素的影響，關(guān)注重點降低元器件溫度，留出充分的安全裕量，設(shè)計值往往低于其額定值以延長產(chǎn)品使用壽命。因此，設(shè)計人員花費大量設(shè)計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)保持正常運行，而且更換風(fēng)扇可以在系統(tǒng)運行狀態(tài)下進(jìn)行。

而對于今天的高量產(chǎn)消費類電子產(chǎn)品來說，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)計周期也被大量壓縮，從概念設(shè)計到最后投產(chǎn)僅用數(shù)個月。盡量降低產(chǎn)品單位成本成為設(shè)計活動的主要目標(biāo)，這就需要對設(shè)計空間進(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，選擇時要考慮來自設(shè)計各個方面的影響，例如封裝選擇、PCB 布局、電路板架構(gòu)以及圍護(hù)設(shè)計（包括風(fēng)扇尺寸、位置、通風(fēng)口定位等）。有關(guān)這方面的更多討論詳見參考文獻(xiàn) [3-7]。這種獨特而又具壓倒性的要求（快速分析與設(shè)計空間探索）引發(fā)了市場對電子設(shè)備散熱專用 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)計迭代。

這種技術(shù)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是，對熱模型的任何修改，包括幾何尺寸更改、網(wǎng)格劃分、解決方案以及對結(jié)果的后期處理等，可全部實現(xiàn)自動處理。這樣就提供了一個其他無可匹敵的功能，既能夠繼續(xù)探索設(shè)計空間優(yōu)化，同時又能釋放寶貴的工程資源用于價值更高的活動。

Mentor 公司的 FloTHERM 套件輔以 Command Center，可為用戶提供基于空間填充用拉丁超立方體的計算機(jī)仿真試驗設(shè)計 (DoCE)、順序優(yōu)化 (SO) 和響應(yīng)面優(yōu)化 (RSO) 等。其中采用 SO 和 RSO 預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計方案可自動進(jìn)行仿真以確保其性能表現(xiàn)與預(yù)測一致（見圖 5 所示）。FloTHERM XT 中內(nèi)置的實體模型器也具有類似功能，可進(jìn)行以 CAD 為中心的參數(shù)化研究。

圖 5：指揮中心場景表（其中顯示的是已解決的設(shè)計以及 RSO 最佳結(jié)果和響應(yīng)面）

4. 適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展

產(chǎn)品設(shè)計小型化的總體趨勢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應(yīng)用，代表產(chǎn)品包括智能手機(jī)和平板電腦等。

設(shè)計小型化在產(chǎn)品級別的一個結(jié)果就是流動空間被大幅壓縮，從而限制了對流散熱的范圍。這些小型空間會導(dǎo)致內(nèi)部空氣出現(xiàn)層流化流動，其湍流強(qiáng)度由槽壁生成的剪切力決定（同時影響著湍流生成與湍流阻尼），這實際上減少了捕捉湍流效應(yīng)數(shù)值的需求。隨著時間推移，空氣中的升溫對于 IC 封裝體內(nèi)部結(jié)點升溫幅度（高于環(huán)境溫度）的影響會越來越小；

反過來說，產(chǎn)品小型化趨勢對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)計中不得不加以認(rèn)真考慮。上述這些技術(shù)性變化將帶來日益增長的需求，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實現(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傳遞和功率輸出的銅皮功能相類似）則需要采用相應(yīng)的、高水平的細(xì)節(jié)來呈現(xiàn)。

圖 6：FloTHERM XT 中內(nèi)置的 Microsoft Surface Pro 和熱模型，為清晰起見隱藏了部分幾何模型細(xì)節(jié)（圖片由 ECS 提供 [8]）

5. 與設(shè)計工具集相集成

隨著機(jī)械與電氣設(shè)計學(xué)科的逐漸融合，加上產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢，這就要求在一個設(shè)計流程中進(jìn)行的更改必須及時反饋到其他流程中。傳統(tǒng)的面向 PCB 設(shè)計的二維方法現(xiàn)已獲得顯著增強(qiáng)，可以使用三維視圖、庫和各類 DRC 選項（由 Mentor 公司的 Xpedition Enterprise VX 提供）。

FloTHERM XT 內(nèi)置了 MCAD 內(nèi)核，可以導(dǎo)入利用前述所有主流 CAD 平臺生成的原始 CAD 幾何模型。經(jīng)由FloTHERM XT 修改過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)計套件實現(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) [9]。功能包括對電路板外形進(jìn)行編輯、對元器件進(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)實現(xiàn)近乎完美的集成是目前熱設(shè)計與其他設(shè)計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)品小型化趨勢同樣對散熱技術(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)熱墊也常見用于空間受限的設(shè)備，合成射流技術(shù)也有使用，多見于 LED 照明領(lǐng)域。

創(chuàng)新型的散熱器和風(fēng)扇組件設(shè)計大行其道，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)計在尋求復(fù)雜幾何形狀散熱解決方案時的理想工具選擇。風(fēng)扇、散熱器、熱管等散熱解決方案通常是外購元器件，他們雖然在 EDA 設(shè)計工具中不發(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，但必須將其納入設(shè)計考慮范圍。

熱管或許是個最簡單的例子，從外表看它不過是長長一根細(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)會影響系統(tǒng)性能，因此，對于熱管是否按預(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)系特征以便正確計算風(fēng)扇與系統(tǒng)中空氣流動阻力之間的相互作用。另外一個關(guān)鍵點是，如果系統(tǒng)采用軸流風(fēng)扇時，電子散熱 CFD 工具應(yīng)能正確分析確定非軸向元器件對空氣流動的影響。這一點在系統(tǒng)流動阻力居高不下時非常重要，會減少系統(tǒng)中的空氣流量。

圖 7：T3Ster 測量值確認(rèn)了瞬態(tài)熱管性能

7. 處理長度規(guī)模的范圍

電子系統(tǒng)的一個獨特之處是其所包含的長度規(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。這對任何 CAE 工具來說都是不小的挑戰(zhàn)，對于那些使用貼體網(wǎng)格的工具尤其如此。

將所有一切都納入模型既不現(xiàn)實也不可取。部分原因是，雖然仿真分析可以在某些方面對優(yōu)化設(shè)計提供最大幫助，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系統(tǒng)熱性能帶來災(zāi)難性影響。

通常的做法是使用簡化行為模型處理芯片封裝（通過一系列緊湊封裝建模級別，直至詳細(xì)的熱模型 [10, 11]）、PCB、風(fēng)扇、散熱器等。FloTHERM 套件采用 SmartPart 處理這些及其他通用元器件，加快了模型構(gòu)建和設(shè)計空間探索的速度（特別是在設(shè)計初期），并可以隨著設(shè)計流程的深入對模型快速進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化。

在后期設(shè)計中，經(jīng)常需要將產(chǎn)品各個方面的幾何模型細(xì)節(jié)納入到設(shè)計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。許多公司在各個不同的封裝級別都采用傳統(tǒng)的 V 模型來進(jìn)行熱模型的設(shè)計、實現(xiàn)及驗證，這樣可以在整個開發(fā)流程中建立對模型的信心（圖 8），當(dāng)然，公司的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)活動通常并不涉及所有這些封裝級別。

圖 8：Mentor 公司的熱仿真與特征提取解決方案映射成的電子設(shè)計 V 模型

與設(shè)計工具集進(jìn)行緊密集成就意味著后期設(shè)計中由 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)計的逐步細(xì)化而進(jìn)行無縫應(yīng)用。我們現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⑦@些信息應(yīng)用于熱分析時都需要哪些條件。

從網(wǎng)格劃分的時間成本來看，采用貼體 CFD 網(wǎng)格來捕捉這一細(xì)節(jié)級別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現(xiàn)實的。因此，原先用于電子散熱應(yīng)用的笛卡爾方法（因為之前建模的幾何模型往往“四四方方”）現(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 方法是對幾何模型劃分網(wǎng)格，然后生成網(wǎng)格單元，每個單元都作為一個控制體傳輸給 CFD 求解器，而我們則采用與此不同的方法，就是使用每個網(wǎng)格單元中幾何模型的知識直接構(gòu)建各種控制體，不必作進(jìn)一步的網(wǎng)格劃分。

FloTHERM XT 就是采用這一獨特方法，能夠捕捉實體幾何模型在單個網(wǎng)格單元中的多個片段，無論其邊界是實體對實體或是實體對流體，因而可以捕捉到復(fù)合結(jié)構(gòu)及多流通道，例如位于散熱器翅片之間的通道。

圖 9：多曲線散熱器翅片 €€ 采用多控制體在粗八叉樹網(wǎng)格上捕捉

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)形式時所需要的東西，以及如何對其進(jìn)行準(zhǔn)備用于高效的熱仿真，從而與設(shè)計中的變更保持同步。對熱模型進(jìn)行及時更新以反映主要設(shè)計流程中的最新變化，這對于及時做出設(shè)計決策、避免設(shè)計返工、加速產(chǎn)品投產(chǎn)進(jìn)程來說至關(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，其中采用位號來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更新。在相關(guān)細(xì)節(jié)的最精細(xì)級別，詳細(xì)的封裝模型可能需要一整套芯片級功率映射來對不同場合的片上功率分布進(jìn)行定義，其中每個芯片都包含多個不同熱源，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

實際功率狀態(tài)（而非使用穩(wěn)態(tài)的熱設(shè)計功率）進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的趨勢，讓不同專業(yè)（電氣設(shè)計與熱設(shè)計）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特，是因為其存在多種需要實施的“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@一切都存儲于單個零件中，必將大幅減少構(gòu)建模型所需的時間。

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

FloTHERM 自 1989 年首次發(fā)布以來，始終提供將所有相關(guān)數(shù)據(jù)存儲于一個零件中的功能，且內(nèi)置有支持拖放操作的元件庫，可以導(dǎo)入/導(dǎo)出完整模型、各種組件以及單個元器件，所有這一切均包含其相關(guān)的材料特性及其他數(shù)據(jù)。該軟件被電子設(shè)備供應(yīng)鏈廣泛采用，用于在半導(dǎo)體供應(yīng)商、封裝工廠、設(shè)備供應(yīng)商與系統(tǒng)集成商之間傳遞各種熱模型。FloTHERM XT 向后兼容 FloTHERM，支持 FloTHERM 項目數(shù)據(jù)導(dǎo)入，既可作為組件也可項目PDML 導(dǎo)入，此外還支持對企業(yè)內(nèi)部或外部供應(yīng)鏈中的舊項目數(shù)據(jù)加以利用。

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)計軟件中使用的模型，支持對各種材料（粘合膠、膏劑、熱學(xué)界面材料等）導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測量。其中一個功能就是生成精確度無與倫比的詳細(xì)熱模型，即按照實測結(jié)果對熱模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整直至完全匹配（如圖 9 所示）。在樣機(jī)驗證階段，還可對這一功能進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，確保熱模型在電路板和系統(tǒng)級別的保真度。這些硬件解決方案可與Mentor 的熱設(shè)計軟件完美集成，提供經(jīng)過全面驗證的熱模型在設(shè)計中使用和重復(fù)使用的范圍。主動式功率

循環(huán)設(shè)備可同時支持對封裝和模塊的可靠性研究，適用于汽車及航空航天等可靠性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖 10：采用 T3Ster 生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)對封裝模型進(jìn)行校準(zhǔn)

9. 對不確定性因素的處理

在熱設(shè)計過程中，與材料特性和功率相關(guān)的一個常見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)計中的幾何尺寸，例如 PCB 中銅皮層的實際厚度、粘合劑及其他接口層厚度等。

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

對上述因素的評估完成后，我們就可以將精力集中于對設(shè)計中的相關(guān)問題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方式包括對設(shè)計進(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)展前沿是使用測量值為仿真流程提供支持[12]，此舉已被證明能夠?qū)⑼瓿蔁嵩O(shè)計所需的總時間減少 60%，將熱設(shè)計所需的精力成本降低 60%，最后實現(xiàn)的模型保真度可將升溫預(yù)測誤差控制在 5% 以內(nèi)。這種方法完全顛覆了以往在設(shè)計完成后使用物理樣機(jī)來更正設(shè)計錯誤的傳統(tǒng)做法，而是使用測量值來確保熱模型所涉元器件的應(yīng)用有效性，從而可將 90% 的時間、精力和成本用于虛擬樣機(jī)驗證，在熱設(shè)計完成后幾乎不需要進(jìn)行物理樣機(jī)驗證。

熱設(shè)計效率的預(yù)期變化

圖 11：Denso 公司的流程改進(jìn)與效率提升 2009-2015 [12]

10. 壓縮設(shè)計時間與裕量

Denso 公司的例子（圖 11）說明了企業(yè)如何通過提高其 CAE 活動的保真度來有效應(yīng)對壓縮設(shè)計裕量的壓力。如果使用可與實際設(shè)計流程同步的熱設(shè)計解決方案，就可以大幅減少設(shè)計時間。

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)果分析的整個流程至少可以壓縮 50%（如圖 12 所示）。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)果量）。

圖 12：流程壓縮示意圖 €€ 相較于貼體 CFD

然而，這僅僅是問題的一個方面。采用 FloTHERM XT，可對任何來自 MCAD 或 EDA 設(shè)計流程的模型進(jìn)行相應(yīng)更新，同時保留其原有設(shè)置用于處理其原始設(shè)計數(shù)據(jù)，只需數(shù)分鐘，模型既可自動進(jìn)行重新劃分網(wǎng)格，用于后續(xù)流程。

對仿真結(jié)果進(jìn)行報告，向項目利益相關(guān)方（包括項目業(yè)主、工程總監(jiān)、產(chǎn)品營銷及其他相關(guān)人員）分享信息，這是一項最基本、但又常耗時費力的工作。撰寫長篇大論向決策者們闡述某項設(shè)計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流程中的每個環(huán)節(jié)，包括報告生成。專業(yè)的工具會清楚知道哪一類結(jié)果可以影響決策（例如 Tc 和 Tj），然后不遺余力地報告這些結(jié)果。此外，可能還會向非專業(yè)人士指出改進(jìn)設(shè)計的方法（例如使用 Mentor 公司的 BottleNeck 和 ShortCut 專利技術(shù) [13]）。這些技術(shù)可以繪制圖表向企業(yè)管理層證明，他們畫在紙巾上的空氣流動箭頭在實際產(chǎn)品中并不是那么回事（如圖 13 所示）。

圖 13：系統(tǒng)空氣流動的想像圖與實際圖 €€ 反向氣流已標(biāo)出（圖片由 Clemens Lasance, SomelikeitCool 提供 [14]）

他們可能還提供響應(yīng)面優(yōu)化 (RSO) 功能，可幫助設(shè)計人員了解哪些變量會影響設(shè)計而哪些不會，并根據(jù)對這些變量的對比分析預(yù)測出最佳組合方案。RSO 還可以針對由 DoE 生成的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，按不同的成本（或目標(biāo)）函數(shù)對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省設(shè)計時間。

結(jié)束語

電子產(chǎn)品的復(fù)雜性與日俱增，降低設(shè)計裕量就需要采用針對具體“使用案例”的瞬態(tài)仿真來提高設(shè)計精確性，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，就需要用更少的時間提出更加準(zhǔn)確的解決方案，允許必要的設(shè)計空間研究，從而讓最終產(chǎn)品既具有成本競爭力，又確保性能可靠性。熱設(shè)計仿真所用技術(shù)的選擇、所選解決方案對企業(yè)現(xiàn)有工作流程的契合度以及企業(yè)員工的專業(yè)背景和實際技能，是提高企業(yè)工程生產(chǎn)率水平的關(guān)鍵所在。