概述

電子設備的小型化趨勢正在持續增加所有封裝級別的功率密度。設備小型化源于降低成本考慮，這也是許多行業的關鍵驅動因素，其結果就是設計裕量越來越少，對過度設計的容忍度越來越低。這一點對于產品的物理設計來說尤其準確，因為過度設計會增加產品的重量和體積，很多時候還會增加制造和組裝成本，從而增加最終產品的成本。

有效散熱對于電子產品的穩定運行和長期可靠性而言至關重要。將部件溫度控制在規定范圍內是確定某項設計可接受程度的通行標準。散熱解決方案可直接增加產品的重量、體積和成本，且不具有任何功能效益，但它們提供的是產品可靠性。如果沒有散熱系統，大部分電子產品用不了幾分鐘就會發生故障。漏電流以及由此產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，因而產品熱設計就更加重要，正如需要為物聯網 （IoT） 設備保持電量一樣。

那么，企業中的工程管理人員應如何介入涉及復雜和/或高功率電子部件的產品開發流程才能確保其產品既保持應有的熱性能又滿足其他設計要求呢？

要回答這個問題，我們需要探討電子產品熱設計領域面臨的以下 10 個關鍵難題。

1. 熱設計所涉及的工科范圍

電子散熱（或稱為熱設計）其實是一個相當小眾的細分領域。二十年之前，熱設計通常是企業中的集中設計活動，配有熱專家團隊，成員主要是具有熱傳遞知識背景的機械工程師，為所有業務部門提供熱設計服務。當時，產品的機械部分（包括任何散熱解決方案）與電子部分是獨立進行設計的。那時的產品開發速度非常緩慢，因為大部分精力仍然放在產品的物理樣機研究，用于糾正設計完成后可能出現的問題。但今天，熱設計作為一個學科領域可能由負責某個產品設計的跨學科團隊中由一個或多個成員來完成（具體視公司或行業情況而定）。

對于那些以確保產品熱運行正常為己任的設計師來說，熱設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品機械的通才（而非熱處理專家），也可能是電子專業工程師。

在企業或業務部門內考慮優化熱設計事宜時，應考慮團隊成員的專業背景和實際技能。由于其專業背景各異，可能需要各不相同的熱設計工具來發揮各自的最大效率。因此，從設計工具的角度考慮，一定要因地制宜，不能一刀切。

2. 不同的目標設計環境

為什么當初熱設計人員都來自機械或電氣專業背景？部分原因在于歷史上企業對熱設計的一貫看法，以及因此而產生的熱設計如何與其他設計活動相結合的問題。

在部分企業中，熱設計可能被視為 PCB 設計流程的一部分，與主要的電子設計并行，尤其是設計用于標準插架的產品時；在此情況下，承擔熱設計任務的則可能是電子工程師，習慣使用 EDA 工具，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 產品，其中包含有熱分析模塊，當然還有設計規則檢查、電源完整性、信號完整性、三維電磁以及模擬仿真等。

而在另一方面，熱設計可能被視為與產品機械設計部分并行，這一點在傳統行業（例如汽車行業）較為普遍，因為這些產品中的電子成分一直增長緩慢，直到最近幾年。在此情況下，承擔熱設計任務的則可能是汽車工程師、機械工程師或產品工程師，習慣在企業 PLM 環境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如達索系統集團的 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 系統中的熱設計解決方案，一來對他們輕車熟路，二來恰好與企業現有工作流程完美契合。Mentor 公司的三維計算流體動力學 （CFD） 分析解決方案 FloEFD已經植入上述所有 MCAD 系統，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 照明等應用。

從更廣義的角度來看，熱設計應位于上述主要 EDA 和 MCAD 設計流程之間的某個位置。承擔熱設計的人員可能是一個同時擁有機械和電子專業背景的混合人群，他們需要使用上述兩種工具集生成的數據，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計流程進行無縫集成的解決方案應該是最佳選擇。傳統的 CFD 電子散熱軟件就是針對這一工程師群體和環境設計的。

3. 研發中產品的類型及產量

我們已經了解工程師和設計環境對于熱設計的有效運作會產生怎樣的影響了。其實，正在研發中的產品其所屬類型及未來產量對熱設計同樣有影響。

在傳統行業中（例如航空、核能、汽車等），CFD 軟件一直用于分析研究產品的性能，主要原因是產品的設計時間相對較長，對安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。這些行業中電子設備的熱設計當然也會受到這些因素的影響，關注重點降低元器件溫度，留出充分的安全裕量，設計值往往低于其額定值以延長產品使用壽命。因此，設計人員花費大量設計精力用于增加散熱系統的冗余，以致于如果風扇發生故障，系統仍能在規定范圍內保持正常運行，而且更換風扇可以在系統運行狀態下進行。

而對于今天的高量產消費類電子產品來說，成本和性能則成為主要決定因素。隨著更新換代的步伐不斷加快，產品的設計周期也被大量壓縮，從概念設計到最后投產僅用數個月。盡量降低產品單位成本成為設計活動的主要目標，這就需要對設計空間進行仔細研究探索，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計各個方面的影響，例如封裝選擇、PCB 布局、電路板架構以及圍護設計（包括風扇尺寸、位置、通風口定位等）。這種獨特而又具壓倒性的要求（快速分析與設計空間探索）引發了市場對電子設備散熱專用 CFD 軟件的研發熱潮，這一潮流從上世紀 80 一直持續至今。這些解決方案將不同的 CFD 技術應用于傳統的貼體式 CFD 程序，從而實現快速生成第一結果，而后則以更快的速度進行設計迭代。

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

4. 適應現代技術的飛速發展

產品設計小型化的總體趨勢催生了日益凌亂和復雜的幾何模型，加深了產品中機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用，代表產品包括智能手機和平板電腦等。

設計小型化在產品級別的一個結果就是流動空間被大幅壓縮，從而限制了對流散熱的范圍。這些小型空間會導致內部空氣出現層流化流動，其湍流強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數值的需求。隨著時間推移，空氣中的升溫對于 IC 封裝體內部結點升溫幅度（高于環境溫度）的影響會越來越小；反過來說，產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到了相當嚴重的地步，其已成為電路板中的熱源，在后期設計中不得不加以認真考慮。上述這些技術性變化將帶來日益增長的需求，那就是將熱模型與機械 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集成。更小型的功能及芯片封裝尺寸（規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）則需要采用相應的、高水平的細節來呈現。

5. 與設計工具集相集成

隨著機械與電氣設計學科的逐漸融合，加上產品小型化的發展趨勢，這就要求在一個設計流程中進行的更改必須及時反饋到其他流程中。傳統的面向 PCB 設計的二維方法現已獲得顯著增強，可以使用三維視圖、庫和各類 DRC 選項。

FloTHERM XT 內置了 MCAD 內核，可以導入利用前述所有主流 CAD 平臺生成的原始 CAD 幾何模型。經由FloTHERM XT 修改過的零件可以采用同一原始 CAD 格式導出并重新導入至原來的 MCAD 環境，確保零件歷史數據得以完好保留。

FloTHERM XT 支持與其他公司的 EDA 設計套件實現同步，例如 Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 解決方案聯盟成員企業。功能包括對電路板外形進行編輯、對元器件進行轉換、任意角度旋轉、任意調整尺寸等，還支持 IDF 導入。

與 EDA 和 MCAD 系統實現近乎完美的集成是目前熱設計與其他設計工作流程有效保持一致的前提條件，但就其自身而言，這還遠遠不夠。

6. 為散熱技術提供支持

產品小型化趨勢同樣對散熱技術的選擇產生影響。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上傳統的軸流風扇，改用離心風扇進行散熱，同時采用熱管技術將熱量從 CPU 所在的中心位置引導至位于離心風扇下游的熱管散熱翅片部分，然后直接排入環境中。散熱器和導熱墊也常見用于空間受限的設備，合成射流技術也有使用，多見于 LED 照明領域。

創新型的散熱器和風扇組件設計大行其道，液冷技術的應用也日益增加。FloTHERM XT 可以輕松處理上述所有散熱解決方案，因而是電子設備系統設計在尋求復雜幾何形狀散熱解決方案時的理想工具選擇。風扇、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 設計工具中不發揮任何功能性作用，也不在企業 MCAD 系統中進行設計，但必須將其納入設計考慮范圍。

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管子，可任意彎曲，也可根據需要進行擠壓；但它的表現會影響系統性能，因此，對于熱管是否按預期發揮作用應進行檢查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 熱特征提取硬件即可進行相關測量。散熱器通常形狀復雜，需要供應商以 CAD 模型形式提供詳細的幾何尺寸。電子散熱 CFD 工具須能夠導入任意格式的 CAD 模型。風扇需要提供風扇曲線，給出壓降與流速的關系特征以便正確計算風扇與系統中空氣流動阻力之間的相互作用。另外一個關鍵點是，如果系統采用軸流風扇時，電子散熱 CFD 工具應能正確分析確定非軸向元器件對空氣流動的影響。這一點在系統流動阻力居高不下時非常重要，會減少系統中的空氣流量。

7. 處理長度規模的范圍

電子系統的一個獨特之處是其所包含的長度規模范圍，從芯片表面的納米到數據中心機架的米，共分九級。這對任何 CAE 工具來說都是不小的挑戰，對于那些使用貼體網格的工具尤其如此。

將所有一切都納入模型既不現實也不可取。部分原因是，雖然仿真分析可以在某些方面對優化設計提供最大幫助，但其中很多信息仍不為人所知。例如，PCB 布線一般要在設計后期元器件布局完成后才能進行，但糟糕的元器件布局可對系統熱性能帶來災難性影響。

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，直至詳細的熱模型）、PCB、風扇、散熱器等。在后期設計中，經常需要將產品各個方面的幾何模型細節納入到設計模型中以獲得高保真的仿真結果，例如詳細的 PCB 走線層、PCB堆棧中的電源層與接地層、熱臨界部件的詳細模型、以及所用任何散熱器的詳細模型。許多公司在各個不同的封裝級別都采用傳統的 V 模型來進行熱模型的設計、實現及驗證，這樣可以在整個開發流程中建立對模型的信心，當然，公司的產品設計和生產活動通常并不涉及所有這些封裝級別。

與設計工具集進行緊密集成就意味著后期設計中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細幾何模型可以在熱分析軟件中與前期構建的模型進行交換，從而為前期的概念設計和相關研究提供支持；然后，相關更新可隨著 EDA 和MCAD 設計的逐步細化而進行無縫應用。我們現在將注意力轉向將這些信息應用于熱分析時都需要哪些條件。

從網格劃分的時間成本來看，采用貼體 CFD 網格來捕捉這一細節級別并提供所需的全耦合熱傳遞仿真支持，顯然是不現實的。因此，原先用于電子散熱應用的笛卡爾方法（因為之前建模的幾何模型往往“四四方方”）現已被擴展用于準確捕捉非笛卡爾幾何模型。傳統 CFD 方法是對幾何模型劃分網格，然后生成網格單元，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，就是使用每個網格單元中幾何模型的知識直接構建各種控制體，不必作進一步的網格劃分。

8. 使用和重復使用已存在的數據

我們迄今已經討論了構建和細化熱模型的物理表現形式時所需要的東西，以及如何對其進行準備用于高效的熱仿真，從而與設計中的變更保持同步。對熱模型進行及時更新以反映主要設計流程中的最新變化，這對于及時做出設計決策、避免設計返工、加速產品投產進程來說至關重要。

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）產品材料的熱數據以及元器件的功耗信息。因此，功率數據可能需要從功率估算工具導入，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，這些數值需要隨著功率估算的變化而自動更新。在相關細節的最精細級別，詳細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行互換，作為瞬態仿真流程用于評估產品在不同狀態下的熱性能。這是一種按“使用案例”或實際功率狀態（而非使用穩態的熱設計功率）進行產品設計的趨勢，讓不同專業（電氣設計與熱設計）工程師之間的工作流程優化顯得尤為重要。

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據、熱屬性、表面特性（包括粗糙度）、網格要求以及（如果有風扇）性能數據和內置行為模型等。如果能夠將所有這一切都存儲于單個零件中，必將大幅減少構建模型所需的時間。

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

Mentor Graphics 提供用于 IC 與功率半導體設備的熱特征提取硬件，可創建適合在任何熱設計軟件中使用的模型，支持對各種材料（粘合膠、膏劑、熱學界面材料等）導熱系數進行測量。其中一個功能就是生成精確度無與倫比的詳細熱模型，即按照實測結果對熱模型進行相應調整直至完全匹配。在樣機驗證階段，還可對這一功能進行擴展應用，確保熱模型在電路板和系統級別的保真度。這些硬件解決方案可與Mentor 的熱設計軟件完美集成，提供經過全面驗證的熱模型在設計中使用和重復使用的范圍。主動式功率循環設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用領域。

9. 對不確定性因素的處理

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

熱設計的一項重要任務就是確定模型中有哪些不確定因素對關鍵器件溫度的影響最大。我們之前討論過將參數研究、數值實驗設計技術和優化等應用于確定性設計空間探索的大環境下，以降低產品成本，提高系統可靠性。同樣的自動化方法也可用于確定熱設計對于制造過程中可能出現的隨機變化情況的應對能力。

對上述因素的評估完成后，我們就可以將精力集中于對設計中的相關問題進行改進，改進方式包括對設計進行相應更改和獲取更準確的數據用于仿真研究。當前的行業發展前沿是使用測量值為仿真流程提供支持，此舉已被證明能夠將完成熱設計所需的總時間減少 60%，將熱設計所需的精力成本降低 60%，最后實現的模型保真度可將升溫預測誤差控制在 5% 以內。這種方法完全顛覆了以往在設計完成后使用物理樣機來更正設計錯誤的傳統做法，而是使用測量值來確保熱模型所涉元器件的應用有效性，從而可將 90% 的時間、精力和成本用于虛擬樣機驗證，在熱設計完成后幾乎不需要進行物理樣機驗證。

10. 壓縮設計時間與裕量

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

與基于貼體網格的解決方案相比，這里從模型構建到結果分析的整個流程至少可以壓縮 50%。這里很大程度上是去除了生成網格所需的 CAD 幾何模型清理和簡化步驟，去除了網格劃分期間用于改進網格減少網格變形的時間（網格變形是貼體網格的固有特性，可以影響數據收斂和結果質量）。

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 設計流程的模型進行相應更新，同時保留其原有設置用于處理其原始設計數據，只需數分鐘，模型既可自動進行重新劃分網格，用于后續流程。

對仿真結果進行報告，向項目利益相關方（包括項目業主、工程總監、產品營銷及其他相關人員）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計更改合理性的日子一去不復返了。使用優秀的工具可以壓縮整個流程中的每個環節，包括報告生成。專業的工具會清楚知道哪一類結果可以影響決策（例如 Tc 和 Tj），然后不遺余力地報告這些結果。此外，可能還會向非專業人士指出改進設計的方法。這些技術可以繪制圖表向企業管理層證明，他們畫在紙巾上的空氣流動箭頭在實際產品中并不是那么回事。

他們可能還提供響應面優化 （RSO） 功能，可幫助設計人員了解哪些變量會影響設計而哪些不會，并根據對這些變量的對比分析預測出最佳組合方案。RSO 還可以針對由 DoE 生成的實驗結果數據，按不同的成本（或目標）函數對設計進行優化，從而大幅節省設計時間。

下一步發展趨勢

其實，本文沒有涉及的一個話題（無論作為挑戰抑或是潛在方案）就是自動化，因為這是一個剛剛出現且正被業內一流企業逐步采用的發展趨勢。

企業對自動化的需求源自于對提高設計流程可靠度的需求，他們需要消除人為誤差及可變性的影響，因為任何兩個專家級分析師也無法針對同一種物理狀態構建出完全相同的模型來。與此相關的是，它承認專家組分析師是企業的稀缺資源，應該從繁瑣的日常事務中解放出來，集中精力從事具有更高附加值的工作，例如更早地介入下一代設備的設計工作，而不是解決當前一代設計后期的問題，因為這樣會不可避免地導致歷史本身不同重復。自動化流程可讓企業對其最佳實踐進行一次性定義，然后通過自動化流程對其進行封裝固化，即可以 100% 的可靠度進行全面應用。

機架式產品通常會提供多種不同配置，采用不同的電路板和板位組合，其底板可以在同一產線的不同代之間進行通用和升級。因此，最為方便的做法是將不同配置的仿真流程進行自動化處理，只需從可用選件列表中選擇與卡槽對應的板卡，然后系統就會自動捕捉其中的關鍵結果，例如器件結溫等。

結束語

電子產品的復雜性與日俱增，降低設計裕量就需要采用針對具體“使用案例”的瞬態仿真來提高設計精確性，摒棄以往采用假設保守的功率估算進行的穩態仿真。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確的解決方案，允許必要的設計空間研究，從而讓最終產品既具有成本競爭力，又確保性能可靠性。熱設計仿真所用技術的選擇、所選解決方案對企業現有工作流程的契合度以及企業員工的專業背景和實際技能，是提高企業工程生產率水平的關鍵所在。

責任編輯：haq