專業的電子熱分析軟件 ICEPAK介紹
北京天源博通科技有限公司
日 期：2005-1
目錄
一、 電子熱設計重要性
二、 需求分析
三、 FLUENT公司簡介及天源公司情況
四、 ICEPAK軟件技術特征
五、 ICEPAK軟件在電子工業的應用情況
一、 電子熱設計的重要性
電子設備熱設計是指對電子設備的耗熱元器件以及整機設備或系統的溫升進行控制所采取的措施，其目的在于保證電子設備或系統正常、可靠地工作。電子設備的功能設計是產品的“賣點”，解決的是在市場上有沒有人要的問題；而可靠性設計則主要考慮能否投入市場，使產品能順利、可靠地運行，并盡量減少售后服務的成本和滿足苛刻條件的要求。電子設備均處于一定環境中存儲、運輸和工作，這些環境因素包括：氣候、機械、電磁、生物、化學以及特種環境等，如不采取有效的環境保護措施，將導致電子設備及系統功能的降低、失效或損壞。而諸多環境因素中，溫度（包括高、低溫及其循環）對電子設備的影響尤為關鍵，圖1是對元器件失效原因所進行的統計（資料來源：美國空軍航空電子整體研究項目，US Air ForceAvionics Integrity Program），從中可以看出溫度是影響元器件可靠性的主要因素。另外，電子設備的運行實踐表明：隨溫度的增加，元器件的失效率呈指數增長，這在不同程度上降低了設備的可靠性，圖2 所示為器件結溫與失效率示意圖。
電子設備在工作時，輸出功率通常只占輸入功率的一小部分，其它大部分損失都以熱能形式散發出來。隨著時鐘頻率快速提高、封裝變薄、封裝的pin pitch減少、IC chips功能更復雜、封裝的footprint數降低以及電子設備向大功率和小型化方向發展，導致電子產品過熱的問題顯
得越來越突出。因此，為保證電子設備在相應的工作環境下長期、穩定地工作，熱設計這一環必不可少。
二、 需求分析
在電子產品中，元器件的工作溫度是影響其可靠性指標的一個重要因數。電子器件的工作溫度和可靠性之間存在一種可預測的關系，因此，為保證產品工作在允許溫度的范圍內，設計人員都要千方百計地提高散熱效率、改善換熱環境。隨著超大規模集成電路的發展和電子組裝密度的提高，使得單位體積容納的熱量越來越多，并且還要滿足電磁兼容地要求，處于降噪條件下的電子產品要求拆去風扇，特別是對工作在惡劣環境中的電子產品要求其必須是全封閉的，這樣使得電子產品的散熱環境進一步惡化，因此電子設備的熱設計在整個產品的設計中占有越來越重要的地位。如今電子產品的設計已進入了面向并行工程CAD／CAE／CAM的時代，設計及評估人員都面臨著掌握熱仿真技術的極大挑戰。
一）熱設計的基本步驟
1．根據電子設備的壽命剖面和任務剖面，確定設備的熱環境：包括設備周圍的空氣溫度、濕度、氣壓、空氣流速、設備周圍物體的形狀和黑度、日光照射以及有無空調、空調空氣的溫度和速度等。
2．進行熱分析：通過熱分析確定系統和單元的傳熱途徑，確定最佳的冷卻方法及確定各個傳熱環境的熱阻，以便進行有效的熱設計。
3．進行熱設計：電子設備進行系統熱設計時應與電路和結構設計同步進行。在電路設計時，應盡量減少電路發熱量、減少發熱元件的數量；選擇耐熱性和熱穩定性好的元器件、原材料，采用降額設計法等。在結構設計時應合理地選擇冷卻方法，進行傳熱通道地最佳設計，盡量減少熱阻和摩擦發熱部件，采用耐熱性好地原材料等。
4．進行熱設計仿真和評審：設備冷卻方法的確定及冷卻介質流量的估算主要取決與設備（元、
件）的發熱功率，發熱設備（元件）的散熱面積，發熱元件，熱敏元件（和設備）的最高允許工作溫度及環境溫度等數據是否合理，結構上的排列是否根據元件的電氣性能和熱特性等綜合考慮，因此必須采用一定的方法和手段審核，進行改進設計。
5．進行熱試驗和熱測量：熱測量是指對電子設備的樣機或模型的各種熱性能參數的測量，其目的在于檢測熱設計的效果和預計該設備所能達到的熱性能指標，并對冷卻系統的適用性和有效性進行評價。內容包括：檢查所設計的冷卻系統是否達到預定的技術指標；對機柜，集中發熱元器件，整機系統的熱性能參數進行測量，為熱設計和改進設計提供計算數據。其中具體熱測量的參數有：
關鍵元器件、散熱器及其他冷卻裝置的表面溫度；
機柜系統內的溫度分布；
機柜或機框內風道處的空氣流量和壓力損失；
液體冷卻系統中的流量和壓力損失等。
二） 引入CAE 技術，提高熱設計水平
在產品開發過程中，如何降低成本，使工藝流程能更加迅速地反應市場變化，是一項艱巨任務，引入計算機輔助工程（CAE）技術能夠加快產品開發周期、降低開發成本。在電子設備熱分析中，電子設備熱分析軟件通過模型建立、模型求解和結果解釋三方面能夠分析單個元件、多芯片模塊、散熱器、PCB 板直至整個電子系統，因此，設計人員在系統設計階段就可以進行電子設備的系統性綜合分析和元件級的詳細分析，以期解決如下問題：
? 優化電子系統內關鍵器件的位置；
? 對電子系統強制對流和自然對流冷卻等幾種方案進行綜合比較；
? 設計風扇、通風口的位置尺寸；
? 確定單板與單板之間和電子系統內各個部件之間的空間大??；
? 優化散熱器的形狀和尺寸以最大限度地發揮其散熱效率；
? 提高散熱孔和散熱片地熱傳遞效率。
由于電子產品熱設計軟件在界面、精度、可靠性、魯棒性、速度等方面都已成熟，因此，對于電子設備熱設計工作有如下優點：
? 改善產品性能和可靠性；
? 加快產品上市時間；
? 減少設計反復次數；
? 快速獲取研究參數，優化設計方案；
? 降低成本。
三） 用熱分析軟件進行熱設計
在設計開發流程中進行的熱分析熱仿真流程一般包括以下四個層次：環境級（Environment）--系統運行工作所處于的物理環境；系統級（Systems）--電子設備機箱、機柜等系統級熱分析；組件級（Components）--電子模塊，散熱器，PCB 板等級別的熱分析；封裝級（Packages）--元器件級別熱分析。
針對電子設備的散熱特點，采用熱分析軟件進行熱設計優化。系統級分析一般處于設計的開始階段，用最少的工作獲得最大的信息，這一階段只需要近似的幾何形狀和功耗，其目的為：優化主要部件（比如通風口、風扇等）的形狀位置和設計的可行性；確定風扇、通風口和PCB 之間的流體分布；確定系統的溫升；定位熱點等等。詳細系統級分析一般處于設計循環的晚期或是對現有方案的驗證，其作用包括：提高系統級分析的精度；確定空氣的溫度、速度、壓強，為做細化的局部分析做準備；固體表面溫度的估計；固體周圍空氣溫度的精確計算。局部分析一般也處于設計循環的晚期或是對現有方案的驗證，并且多數是針對元器件的結溫，其作用包括：精確分析固體內部溫度和其周圍空氣的溫度和壓強等。
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