技术干货｜SimLab 电子产品热流体仿真

电子产品热仿真特点有哪些？

  • 结构复杂，电子设备包含几十~上千个元器件

  • 体积小，功率密度高、关注热敏感元器件

  • 多种冷却方式，自然冷却、风扇冷却、液冷、热管等

  • 多维度，芯片级，板级，系统级

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单个电路板包含的元器件

航空电子设备的机箱

SimLab Electronics Thermal 

热分析专用工具

  • 基于FVM算法的热流体求解器 ElectroFlo (技术源自TES International公司，已被 Altair 收购)

  • 快速建模，无需几何清理，全自动六面体网格，让用户专注于产品热设计

  • 热分析对象：机箱机柜、PCB板、消费电子产品

  • 可导入MCAD（NX / Catia / Creo）和EDA (ODB++ / Altium / Mentor / Zuken / Cadence) 数据

  • 电-热耦合分析，半导体制冷，芯片热网格模型

  • 风扇模型、水冷通道、湍流模型、热辐射

  • 支持DOE，热固耦合

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SimLab Electronics Thermal 模块

Electronics Thermal 分析流程

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Step1: 导入CAD和ECAD数据

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Step2: 几何离散

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Step3: 六面体网格

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Step4: 求解/后处理

网格建模方法

Electronics Thermal 将导入的CAD模型先离散成网格化的几何(Geometry Discretization)，然后在此基础上加密六面体网格。对于关键部位可以用Mesh Control工具局部加密。

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对于薄片的特征，采用Key Planes工具指定。Key Planes的位置会随几何尺寸的变动自动更新。

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PCB板的建模

  • PCB通常含有太多细节，有些铜线只有几十微米，很难用网格捕捉。

  • PCB trace mapping工具可以根据含铜量自动简化、等效材料属性。

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导入的原始PCB详细数据

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根据每个网格的材料体积分数自动简化PCB模型

红色为金属材料，蓝色为非金属材料 

PCB简化既可以针对PCB整体，也可以具体到每一层：

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Layer Definition工具可以预览/修改PCB层的信息，并选择性导入哪些层。

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如果选择Simplify PCB as a single body选项, SimLab自动将多层PCB转换为均匀的各向同性或各向异性材料。

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PCB简化工具不仅考虑了等效的热属性，也能考虑电属性和机械属性（用于强度分析，疲劳失效分析）：

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PCB正交各向异性热属性等效原理

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PCB材料机械性能定义

芯片热模型

  • 导入csv文件，批量定义芯片的2R热模型

  • 用户选择PCB板，SimLab自动识别芯片和板的接触面

  • 计算结果自动输出每个芯片的板温，壳温和节温

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导入芯片2R热模型的csv数据

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2R芯片热模型

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计算过程自动监测芯片温度

液冷模型Liquid Cooling

模型可以包含空气冷却区域和液冷区域，且两种冷却介质的区域可以分别选择不同的湍流模型。

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液冷区湍流模型

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风冷区湍流模型

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传感器Sensor

  • 用于记录元器件、或自定义监测位置的物理量，如温度，风速，电压等 

  • Senor的物理量也可以作为求解器收敛的判断准则，例如有些情况下数值残差收敛了，但是温度还在上升

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Sensor在计算过程中Plot曲线

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可选择某个 sensor 值作为收敛依据

机箱的简化出风口模型Vent

Vent指定机箱通气格栅的开孔率和压力损失系数，从而避免对复杂的格栅直接建模。

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出口格栅的空气流量和压力损失

温度控制器Thermostat

根据温度反馈控制多个参数，包括：风扇的开/关；电流、电压；控制温度，辐射、对流参数，芯片发热功率等。

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风扇模型Fan

  • 几种风扇参数输入模式：质量流量，体积流量，转速/直径, P-Q曲线

  • 考虑风扇电机自身发热

  • 考虑风速的旋转分量

  • 考虑风扇失效模型（类似阻力单元）

  • Thermostat反馈控制，监测温度达上限打开风扇，温度达下限关闭

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计算过程中Plot风量和风压曲线

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半导体制冷模型TEC

基于半导体制冷Peltier效应，当电流流经电路时，除了产生焦耳热外，在两种不同材料的接触点处会发生热量转移，导致一个接头处吸热而另一个放热。

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半导体制冷模型TEC

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半导体制冷原理图

交互式设计变动

用户可交互式操作模型对象，例如将热敏感元器件稍微远离热源，快速完成设计变动分析。

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机箱的空气流速

机箱的固体温度

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交互式快速设计变动 操作演示

可以看到本案例的元器件位置变动后，原先超出温度上限的问题得以解决。

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原设计调整位置后

批量设计变动DOE

DOE参数化研究散热片的2个参数（翅片个数N和高度H）对CPU和变压器温度的影响。

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案例1：航空电子机箱风冷仿真

  • 机箱包含3块PCB板+300个部件，PCB 采用简化模型

  • 2千6百万六面体网格，稳态工况12CPU核计算5~6小时

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机箱表面的正背面均安装了散热片

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机箱表面温度

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PCB板的温度

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自动输出芯片的温度列表

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瞬态工况的监测点温度曲线

案例2：PCB板自然冷却

  • PCB 有2层0.03mm厚的铜层，分析对比了铜层对温度的影响。

  • Non-CFD分析模式，忽略外部空气区，仅计算导热，单CPU计算时间10分钟。

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考虑铜层的PCB热模型，正背面的温度

对比两种模型的温度，考虑铜层的模型具有更好的散热效果，最高温度明显低于忽略铜层的模型。

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忽略铜层的PCB温度

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考虑铜层的PCB温度

案例3：电动汽车逆变器温度场分析

  • 逆变器模型的发热元件包含二极管，开关，电容，芯片和汇流排。

  • 汇流排发热采用热电耦合，水冷板采用Liquid Cooling。

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逆变器的模型

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逆变器的表面温度

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Pin Fin表面温度

案例4：PCB板的热固耦合分析

  • 首先进行PCB板瞬态温度场分析，接着用mapping tool将温度场数据传递给结构求解器OptiStruct进行翘曲分析。

  • 两种分析类型采用同一ECAD数据，用户可在SimLab左侧的模型树切换不同的求解器。

案例5：电热耦合分析

分析Busbar的焦耳自发热现象。用户输入材料的电阻率，电流和电压，SimLab自动耦合求解温度场和电场方程。

案例6：半导体制冷模型

TEC部件位于散热片和发热芯片之间，导入TEC的电参数*csv文件，分析机箱的温度场。

（具体演示视频请至公众号观看：SimLab 电子产品热流体仿真）

关于 Altair RapidMiner

Altair RapidMiner 数据分析与人工智能平台，是 Altair 澳汰尔公司旗下仿真、HPC 和数据分析三块主营业务中的解决方案，它在数据分析领域最早实现将自动化数据科学、文本分析、自动特征工程和深度学习等多种功能同时集成的一站式数据分析平台，帮助用户解决从数据清洗、准备、数据科学建模到模型管理和部署，同时又支持数据和流数据的实时分析可视化的数据分析平台。

欲了解更多信息，欢迎关注公众号：Altair澳汰尔

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