1

前言

電子器件運作產生的故障、效能優劣與其工作溫度有著密不可分的關系，特別是今日電子產品功率更高，且精致及微小化，造成設計思路的難度與日俱增。通過莎益博統計的客戶經驗，溫度產生的議題如下:

1. 大量使用的半導體器件和微電路,故障率隨溫度的增加而指數地上升

2. 許多電子器件的性能表現與溫升速度直接相關，溫度升高，效能直接下降

   
   

通過計算機來解流動、傳熱等方程可獲得流場與溫度數據等信息，實現了成本低、速度周期快，且模擬結果與實驗設計可以非常地吻合；今許多產品皆已導入仿真工具做為開發的手段之一。

莎益博利用Ansys Icepak協助工業客戶處理了各式各樣的散熱設計問題，尺度范疇小如芯片，到PCB組件、電子器件模塊，大如整機系統、服務器機房/機柜等，都是Ansys Icepak可以計算的范圍。

2

常規所遇的熱仿真設計重點

1. 幾何模型處理及導入(Ansys Spaceclaim)

2. 熱及流理論計算

   －導熱 (傳導熱，包含通過PCB組件及Trace的能量)

   －對流 (自然對流/強制對流，包含風扇處理)

   －輻射 (吸收/散射/放射/反射/穿透，包含太陽輻射效應)

3. 散熱常用模塊

   －熱管

   －風扇

   －散熱器

Ansys Icepak方案可將上述因素全部納入仿真的范圍中。

特別是越來越多問題涉及到必須考慮電路圖Trace的影響，藉由真實電路圖可計算精確地覆銅率、導熱率及導電系數。導入的Trace模型包含過孔信息，可讓散熱通道的仿真更細致，結果更為精確。

ECAD的Trace走線/層數/厚度及過孔信息

3

網格鋪設技術

對所有仿真技術人員來說，鋪設網格是一較大難點。Ansys Icepak具備非常完善的網格系統，可以實現真實模型貼體網格，如優先級技巧、多重組件(Embedded Assembly)及多級化網格等；建議使用者接受一次常規且完整的培訓，莎益博每年會定期開設相關課程，用以提升使用者的水平及工作效率，可直接進行咨詢。

4

熱仿真設計案例

本文以一臺一體機(All-in-one)進行流程說明。此一體機的ID設計、機構Placement、散熱方案及材料選擇等，皆通過仿真給予一可靠的數據來進行。

散熱方案中包含一風扇，利用供貨商提供的風扇性能曲線(P-Q curve)，在Ansys Icepak做相應特性設置。

風扇性能(P-Q curve)及模型圖紙

從發熱組件的功率規范書中，可設置相應發熱狀態，一般供貨商數據中可獲得2R發熱模型；我們在Ansys Icepak中相應去設置Network發熱量及熱阻即可。

散熱方案中成本最高的熱管模型可直接導入仿真計算中，選用正確材料屬性即可。部分器件有過熱的風險，我們協助提供需要進行熱導墊(Thermal Pad)的位置，此時，機構工程師需要協助在機構件上面改上Punch做散熱橋接之用；采用的設計參數將根據仿真結果作選用。

考慮電路圖。本模型電路圖除了做銅走線熱傳導及發熱之外，因設計的需求，部分區域會刻意打上銅線，提高周圍器件的散熱效果。

電路Trace圖

由于ID不得更改，為了讓成本最低，效果最好，需要最高校的利用風流做散熱，因此通過仿真數據對比，將部分ID孔制作成盲孔，按照設計思路引導冷風流經熱區最有效散熱，如下：

風路及ID開孔設置

仿真所獲的結果

5

總結

仿真獲得的結果可快速提供設計思路，通過大量的思考，包含成本及散熱的可行性，也包含準確性的對比，可以設計出一款最優化的產品。

文章來源：莎益博CAE仿真