聊一聊電子產品的熱設計技術

Ansys中國

2021年12月23日 09:56

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電子產品在日常生活和工業生產中必不可缺，特點也較為明顯，如：集成度越來越高，結構越來越復雜，產品研發周期越來越短，緊湊化程度越來越高，交叉學科的技術需求日益強烈等等。這些特點或多或少都會與熱設計工作相關，尤其是在5G和AI盛行的年代，電子產品的熱流密度越來越高，這給熱設計工作帶來巨大的挑戰。

熱設計的方法一般有理論分析法、熱測試法以及熱仿真法。工業產品復雜，只有比較少的理論分析解；熱測試是熱設計的重要手段，但周期長成本高而且在產品設計的前期是沒有樣品測試的；而熱仿真能很好地彌補理論分析和熱測試的不足，且已大量應用于工程實踐中。理論分析，熱測試和熱仿真，三者相輔相成，在可以預見的未來，熱仿真扮演著越來越重要的角色。

權威機構調查顯示，電子產品失效原因中55%跟溫度相關，因此電子產品的熱設計至關重要。

Ansys電子散熱解決方案專注于電子產品的熱設計和熱仿真的相關問題, 主要涉及電子產品包括芯片封裝、PCB 板、機箱系統等。跟溫度相關的多物理場耦合仿真問題也是此電子散熱關注的重點，如電熱耦合問題、熱結構耦合問題、電熱結構耦合問題等。

1. 芯片封裝級散熱分析

可編程性強，自動化程度高。

精細化 Die 熱源 (CTM模型)
RedHawk-Icepak電熱耦合仿真
SIwave-Icepak基板電熱耦合仿真
3D Layout-Icepak基板電熱耦合仿真
封裝級電熱結構耦合仿真
常用熱阻提取
多 Die DELPHI 網絡模型提取
強大的可編程性使自動化程度大幅提高

2. PCB 板級散熱分析

完善的流程，出眾的精度。

電熱結構耦合仿真
SIwave-Icepak電熱耦合
3D Layout-Icepak電熱耦合
高效處理考慮trace影響的熱分析
簡單的直流壓降損耗計算
傾斜PCB 板熱仿真

3. 機箱/大系統級熱仿真

處理復雜模型的能力，業界領先。

HFSS-Icepak電熱耦合
Maxwell-Icepak電熱耦合
Q3D-Icepak電熱耦合
Icepak-Simplorer仿真仿真
能夠處理復雜的MCAD數據
可以導入外部復雜網格
復雜流道的水冷熱仿真
多套熱仿真流程方便選擇
豐富且強大的宏輔助實現熱仿真

Ansys的電熱耦合及復雜工況的處理能力，幫助客戶實現產品的熱設計。

如開篇提及，電子產品的失效有55%的原因是由熱引起的，所以必須對電子產品的熱設計予以重視。由于電場和熱場是緊耦合的關系，電熱耦合仿真方案越來越得到客戶的青睞，Ansys Icepak在這方面擁有比較大的優勢。此外, Ansys Icepak在業界同類產品中功能覆蓋范圍更廣, 這意味著 Ansys Icepak可以更好地幫助客戶實現電子產品的散熱設計。

時下先進的2.5D/3D IC封裝技術，包括通過硅通孔（TSV）、管芯和晶片堆疊、系統封裝SiP等，將成為5G芯片封裝設計的主流選擇。短互連路徑由于提高了I/O速度，堆疊芯片之間的TSV可實現更高的性能。隨著現在芯片的功率提高，尺寸緊湊，分析結構可靠性需要考慮芯片發熱、封裝發熱等條件。此類分析通常會使用芯片分析工具Redhawk，電子熱分析工具Icepak進行芯片與封裝熱分析，而結構分析工具Mechanical可使用以上工具的熱分析結果，再進行結構分析，這些工具組合構成了業界流程最完整、功能最強大的結構可靠性方案。
市面上同類的熱仿真軟件大多有比較明顯的功能缺失，比如不具備電熱耦合能力，或不能處理復雜曲面, 或網格類型和功能單一等。而Ansys Icepak在業界同類軟件中功能覆蓋范圍更廣，它具有完善的電熱結構耦合能力，主流的設計文件接口(包括ECAD和MCAD)，貼體化的網格功能，強大的外部網格導入功能，專業的求解器，豐富的物理模型和湍流模型等等。這些特點，都決定了Icepak能更好地幫助客戶實現電子產品的散熱設計。

Ansys旗下的芯片、電磁、熱、結構、可靠性分析等眾多工具，可實現多物理場耦合、多學科融合，構成了業界極其全面的電子產品可靠性解決方案。作為在電熱結構耦合仿真當中主推的熱仿真模塊，Icepak功能擁有業界非常廣泛的覆蓋面，將會更好地為客戶的電子產品熱設計保駕護航。