寫(xiě)在前面

仿真、模擬、有限元分析、多物理場(chǎng)……這些術(shù)語(yǔ)是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進(jìn)趨勢(shì)，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專(zhuān)題，邀您一起探索仿真世界。本專(zhuān)題將以“一期一會(huì)”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計(jì)及電磁仿真、光學(xué)、光子學(xué)、半導(dǎo)體、自動(dòng)駕駛、汽車(chē)、聲學(xué)、航空航天、材料等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)知識(shí)觸手可及。

電子產(chǎn)品熱管理是一門(mén)工程學(xué)科，其重點(diǎn)是高效管理電子設(shè)備及系統(tǒng)中的熱量。其利用熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和熱力學(xué)的物理特性，將組件溫度保持在可接受的工作范圍內(nèi)。如果不加以控制，溫度就會(huì)升高，電子組件性能就會(huì)下降，而且某些部件可能會(huì)出現(xiàn)故障。此外，器件和封裝之間的連接也會(huì)削弱，甚至斷裂。每當(dāng)您聽(tīng)到筆記本電腦風(fēng)扇啟動(dòng)或感受到手機(jī)背面發(fā)熱時(shí)，就是熱管理在發(fā)揮作用。 

電子設(shè)備通過(guò)電路和電子組件傳遞電流來(lái)工作。電線、PCB導(dǎo)線、連接、芯片封裝和組件都會(huì)在電流流經(jīng)電路時(shí)發(fā)熱。如果沒(méi)有有效管理熱量，電子設(shè)備各區(qū)域的溫度就會(huì)上升，從而改變材料屬性。這些屬性改變可能會(huì)導(dǎo)致多種問(wèn)題，其中包括電阻增大、機(jī)械強(qiáng)度降低、信號(hào)失真以及最終的產(chǎn)品性能下降和不良的用戶(hù)體驗(yàn)等。此外，材料還會(huì)熱脹冷縮，對(duì)組件造成熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致組件或系統(tǒng)的機(jī)械故障、疲勞和過(guò)早老化。 

從手機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)到為衛(wèi)星上的CMOS攝像頭散熱，熱管理在當(dāng)前電子應(yīng)用的整體性能和魯棒性方面發(fā)揮著重要作用。因此，全面了解可選擇的方案至關(guān)重要。熱管理應(yīng)用已成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵部分，應(yīng)納入設(shè)計(jì)流程的每一步。

不同類(lèi)型的電子產(chǎn)品熱管理系統(tǒng)

在討論如何處理多余熱量的具體內(nèi)容之前，我們需要了解，在工程師選擇熱管理方法時(shí)，電子系統(tǒng)的規(guī)模是一項(xiàng)關(guān)鍵影響因素。半導(dǎo)體芯片封裝面臨的發(fā)熱和散熱挑戰(zhàn)，與印刷電路板（PCB）有所不同。與之類(lèi)似，具有多個(gè)PCB和其它熱源（如電源）的外殼，需要與機(jī)架或整個(gè)數(shù)據(jù)中心等裝配體不同的解決方案。這些解決方案，可分為芯片級(jí)、組件級(jí)、電路板級(jí)及系統(tǒng)級(jí)熱管理解決方案。

另一個(gè)重要的區(qū)別是被動(dòng)熱管理和主動(dòng)熱管理。不使用電源的電子產(chǎn)品散熱方法，稱(chēng)為被動(dòng)散熱解決方案；主動(dòng)散熱解決方案使用電源（通常為電力）來(lái)提高對(duì)流流體的速度，或?yàn)闊崃W(xué)或熱電裝置供電。被動(dòng)散熱通常是首選方法，因?yàn)槠洳幌哪芰浚瑳](méi)有活動(dòng)部件，而且更具成本效益。不過(guò)，考慮到被動(dòng)散熱管理方案永遠(yuǎn)無(wú)法將設(shè)備溫度降至環(huán)境溫度以下，又或者被動(dòng)系統(tǒng)不具備所需的熱性能，因此，設(shè)計(jì)中還會(huì)包含主動(dòng)系統(tǒng)。

下面是目前最常用的高效熱管理方法，分為被動(dòng)及主動(dòng)解決方案。

被動(dòng)熱管理方法

熱界面材料（TIM）：組件之間及組件周?chē)牟牧希糜趯⑦@些組件與高溫隔絕，也用于將熱量從熱源散出。在灌封和封裝中，各種丙烯酸、環(huán)氧樹(shù)脂、硅樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂涂層會(huì)完全封閉組件、裝配體或整個(gè)設(shè)備。粘合劑、凝膠和潤(rùn)滑脂等組件之間的其它類(lèi)型材料，可在元件之間提供高熱導(dǎo)率。

熱擴(kuò)散器（Heat Spreader）：將熱量從熱點(diǎn)傳導(dǎo)至較冷位置或另一個(gè)熱管理解決方案的物體。半導(dǎo)體封裝、PCB或電子產(chǎn)品外殼的幾何結(jié)構(gòu)和材料可將熱能從熱點(diǎn)散出。在封裝和電路板層面使用球柵陣列、導(dǎo)線、過(guò)孔和接地層。在外殼中，來(lái)自電路板和電力電子產(chǎn)品的熱可通過(guò)緊固件和楔鎖直接傳遞至外殼或其它熱管理器件。

自由對(duì)流：最常見(jiàn)且最具成本效益的散熱機(jī)制是高溫物體周?chē)目諝庾匀粚?duì)流。由于熱空氣會(huì)因浮力的作用而上升，熱物體的熱能會(huì)進(jìn)入空氣中，然后上升并離開(kāi)部件，從而將較冷的空氣吸入，取代熱空氣。空氣是自由對(duì)流中最常見(jiàn)的流體，但在要求更嚴(yán)苛的應(yīng)用中，會(huì)使用其它氣體和液體。

散熱器（Heat Sink）：附著在熱源上的一個(gè)物體將熱量從源物體傳遞出去，然后通過(guò)對(duì)流傳熱的方式將其耗散在流體中。散熱器設(shè)計(jì)可最大限度增大對(duì)流流體可吸收熱量的表面積。散熱器最常見(jiàn)于CPU、電力電子組件和激光器等熱源上。

熱導(dǎo)管：使用揮發(fā)性物質(zhì)的相變從熱源吸收熱能的裝置。能量可將液體轉(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽沿著熱導(dǎo)管到達(dá)另一端，在這里蒸汽會(huì)冷凝并返回?zé)岫酥貜?fù)循環(huán)。

紅外輻射器：使用紅外輻射將熱量從平板上傳遞出去的大型金屬平板。其包含熱幅射器，用于無(wú)法將熱量從系統(tǒng)中對(duì)流或傳導(dǎo)出去的應(yīng)用，通常應(yīng)用于太空環(huán)境。

主動(dòng)熱管理方法

強(qiáng)制對(duì)流和強(qiáng)制風(fēng)冷：使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)在組件或散熱器上產(chǎn)生氣流的供電裝置。較高的氣流速度可增強(qiáng)對(duì)流傳熱，從而可從物體中吸收更多熱量。

液冷：一種熱管理方法，其中液體會(huì)流經(jīng)熱源來(lái)吸收熱量，并將其從熱源中散出。液冷通常使用強(qiáng)制對(duì)流或熱交換器（輻射器），在液體返回?zé)嵩粗皩?duì)其進(jìn)行冷卻。液冷的常見(jiàn)應(yīng)用示例包括高性能計(jì)算機(jī)、電池系統(tǒng)、電機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)。

射流沖擊冷卻：高效的散熱解決方案，通過(guò)噴嘴將流體噴射到熱源上。更高的流速、湍流以及沖擊表面有時(shí)發(fā)生的汽化，會(huì)顯著增加從物體到流體的熱傳遞。

噴霧冷卻：一種類(lèi)似于射流沖擊冷卻的方法，但不是流體噴射，而是將冷卻劑霧化成小液滴，當(dāng)它們碰到熱源時(shí)就會(huì)蒸發(fā)。這種相變吸收的能量，比對(duì)流要多得多。

制冷：利用蒸汽壓縮熱力學(xué)，循環(huán)使用壓縮、冷凝、膨脹和相變從熱源中吸取熱量。環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于電子設(shè)備所需的工作溫度時(shí)，這種方法尤為實(shí)用。數(shù)據(jù)中心，是利用制冷來(lái)為自由對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流及液冷系統(tǒng)的工作流體散熱的一個(gè)常見(jiàn)示例。

電阻加熱：大多數(shù)熱管理方法都是為了電子系統(tǒng)或組件散熱。但在某些應(yīng)用中，設(shè)備在極冷環(huán)境下工作，工程師需要在其設(shè)計(jì)中納入電阻式加熱器，以將溫度提高到可接受的工作范圍。在太空電子產(chǎn)品、某些汽車(chē)電子產(chǎn)品以及各種在極端環(huán)境下工作的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中，電阻式加熱器很常見(jiàn)。

熱電散熱：這種熱管理固態(tài)設(shè)備，利用Peltier效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能。電流通過(guò)兩個(gè)不同的半導(dǎo)體材料，會(huì)導(dǎo)致一端的溫度升高，另一端的溫度降低。這個(gè)較低溫度端可直接連接至需要散熱的電子組件。

將熱管理設(shè)計(jì)到電子系統(tǒng)中的流程

從微小的微型芯片到海量數(shù)據(jù)中心，設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的工程師必須探索系統(tǒng)的熱行為，然后選擇相應(yīng)熱管理解決方案——需要符合系統(tǒng)熱性能標(biāo)準(zhǔn)、具有成本效益，而且不會(huì)產(chǎn)生與系統(tǒng)電氣或結(jié)構(gòu)要求有關(guān)的問(wèn)題。

熱管理設(shè)計(jì)通常應(yīng)該集成到整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，尤其是以仿真為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程。以下技術(shù)有助于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)了解應(yīng)用，以快速進(jìn)行權(quán)衡并優(yōu)化解決方案。

組件特征描述

要獲得有效的熱管理解決方案，首先要了解系統(tǒng)的組件的熱屬性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該先收集技術(shù)信息，例如系統(tǒng)中每個(gè)電子組件及機(jī)械組件的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、發(fā)熱、熱容量、標(biāo)準(zhǔn)工作條件以及可接受的工作溫度等。

這些值可從供應(yīng)商那里獲得，或者您可能必須進(jìn)行熱特征測(cè)試。為了估算散熱量，電氣工程師通常會(huì)根據(jù)組件產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中列出的電氣行為運(yùn)行電路模型。此外，還可利用仿真來(lái)確定組件和互連中的允許熱應(yīng)變，或描述組件裝配體的熱行為特征。

環(huán)境評(píng)估

一旦團(tuán)隊(duì)知道了電子系統(tǒng)內(nèi)部的情況，他們就需要了解系統(tǒng)的工作環(huán)境。

消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的散熱解決方案與航空電子設(shè)備中的熱管理解決方案截然不同。

比如，避免智能手機(jī)過(guò)熱的解決方案，受到機(jī)身內(nèi)部空間的限制，唯一可以散熱的地方是設(shè)備周?chē)目諝猓欢鴳?zhàn)斗機(jī)上的航空電子設(shè)備包具有高壓，且有冷空氣可以吹入外殼；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能無(wú)法接觸到低溫環(huán)境、冷空氣或水，因此，機(jī)載熱電制冷器可能是該應(yīng)用的最佳解決方案。同樣，特定行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)可能會(huì)最終決定可使用的熱管理方法。

熱仿真

鑒于各種不同的方案選項(xiàng)以及對(duì)不同需求的權(quán)衡，仿真成為了開(kāi)發(fā)熱管理解決方案的理想工具。

在半導(dǎo)體芯片封裝層面，設(shè)計(jì)人員可以迭代封裝方法、熱焊點(diǎn)及熱通孔的位置，以及接地層的厚度。

另一方面，在更大尺度的應(yīng)用中，可以使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和整個(gè)樓層機(jī)架周?chē)臍饬鬟M(jìn)行建模和優(yōu)化。

Ansys Icepak?軟件是專(zhuān)為電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)的CFD解決方案的絕佳示例，主要用于組件、封裝、電路板和外殼層面。工程師能夠直接導(dǎo)入設(shè)計(jì)，并快速對(duì)熱管理解決方案進(jìn)行建模。在芯片層面，工程師將Ansys Redhawk-SC Electrothermal?軟件作為2.5D和3D-IC系統(tǒng)的簽核解決方案。Redhawk-SC Electrothermal軟件與Icepak軟件相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)感知芯片設(shè)計(jì)。

工程師需要管理的另一個(gè)熱源，是電子應(yīng)用中電磁產(chǎn)生的熱量。大功率天線等高頻應(yīng)用中，會(huì)因電磁波傳播的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量。Ansys HFSS?軟件等工具可預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的熱量，隨后可將其用作熱仿真的邊界條件，用于優(yōu)化整個(gè)電子裝配體中的熱管理。

同樣，手機(jī)、智能手表和VR頭戴式顯示器等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的低頻應(yīng)用（如電機(jī)、電源和無(wú)線充電）也會(huì)產(chǎn)生熱量。在電子產(chǎn)品熱管理解決方案仿真中，Ansys Maxwell?軟件可以對(duì)這些損耗進(jìn)行建模，并提供準(zhǔn)確的熱源值。

一旦通過(guò)仿真或測(cè)試完成組件及裝配體設(shè)計(jì)表征，就可以在系統(tǒng)層面將其表示為降階模型（ROM），并且可以在Ansys ModelCenter?軟件等工具中探索和優(yōu)化整個(gè)散熱系統(tǒng)。工程師隨后可進(jìn)行權(quán)衡研究，為多種使用案例確定最佳熱管理方法。

散熱方法選擇

在了解內(nèi)部配置和外部環(huán)境并通過(guò)熱仿真對(duì)組件和系統(tǒng)進(jìn)行建模后，團(tuán)隊(duì)就可以開(kāi)始進(jìn)行迭代、選擇合適的散熱方法，對(duì)許多不同的方案進(jìn)行虛擬評(píng)估。

電子產(chǎn)品熱管理的未來(lái)

看似無(wú)關(guān)的技術(shù)進(jìn)步，也將影響熱管理未來(lái)，其中一個(gè)良好示例是近來(lái)人工智能（AI）的蓬勃發(fā)展。大型語(yǔ)言模型（LLM）使用大量的GPU，這為大型數(shù)據(jù)中心的散熱技術(shù)帶來(lái)了熱管理難題。

隨著數(shù)字世界的擴(kuò)展與發(fā)展，對(duì)高功率高速電子產(chǎn)品的需求將繼續(xù)推動(dòng)熱管理的創(chuàng)新發(fā)展。在這一趨勢(shì)的推動(dòng)下，人們把目光投向了更高效的制冷解決方案、噴流散熱優(yōu)化、更有效的熱電設(shè)備，以及浸沒(méi)式散熱等先進(jìn)散熱策略。

高性能計(jì)算應(yīng)用將推動(dòng)解決方案發(fā)展，同時(shí)，組件和系統(tǒng)的持續(xù)小型化正在推動(dòng)行業(yè)進(jìn)行另一個(gè)層面的發(fā)展。熱晶體管是一個(gè)激動(dòng)人心的新研究領(lǐng)域。這些晶體管可根據(jù)需要控制熱流，從而有可能將散熱定向到所需的位置，而不是為整個(gè)芯片散熱。

仿真功能和效率的持續(xù)發(fā)展，是熱管理領(lǐng)域最有效、最具影響力的改進(jìn)。這類(lèi)軟件將集成AI，改進(jìn)其與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成，提高用戶(hù)工作效率，并進(jìn)一步結(jié)合物理特性，同時(shí)充分利用帶來(lái)的更高算力。

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