結構散熱設計的案例
中興：基于Icepak的智能家端產品散熱結構設計與優化
痛點問題與解決思路
創建仿真散熱結構設計平臺
平臺簡介
平臺流程
平臺可靠性驗證流程
項目1首次仿真與實測
項目2仿真實測再次驗證
項目實踐-降成本
光路由器方案仿真指導設計
光路由器原始方案與方案1仿真分析
光路由器方案2與方案3仿真分析
光
路由器方案4與方案5仿真分析
光路由器最終方案仿真與實測總結
路由器2原始方案仿真與實測分析
路由器2三種裁剪方式仿真與實測對比
項目實踐總結
設計優勢
仿真快速、準確，開發流程已嵌入仿真，通過光路由器仿真數據可以看出，主要芯片溫度仿測溫差最大在2.8度，最小在0.3度，仿測趨勢一致，準確度高，仿真僅需45。
存在問題
對于較復雜的項目仿測差異較大，這是由于仿真參數不準確，仿測環境有差異有關，需要根據具體情況多次調試才能仿測一致。
后續需要研究的方向
1、溫差偏大問題的研究，主要分成三個方面：
2、充分發揮熱仿真在產品設計中的作用：
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
十多年來，優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗，并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。
展開 電池熱管理系統散熱結構的設計和仿真
對比與驗證
本文提出了鋁板/相變材料/液冷的電池熱管理系統，為了驗證此結構的優勢，分析了在相同工況下，鋁板/液冷和相變材料/液冷散熱結構的溫度分布。為了保證一致性，3種結構的參數設置見表6。
圖6 是模擬常溫環境、5C 高倍率放電情況下，電池的最高溫度和最大溫差的溫度曲線。從曲線圖可以看出，如果只有鋁/液體冷卻相結合，由于鋁的導熱良好，使電池的最高溫度能夠得到較好控制。但是由于導熱太快，散熱不均勻，會影響電池的最大溫差。當只有相變材料/液冷相結合的熱管理時，相變材料由于其良好的潛熱，使電池的最大溫差得到控制，但是由于相變材料的導熱不好，電池不能及時散熱，使電池的最高溫度不能得到較好控制。所以，鋁板/相變材料/液冷散熱結構在控制電池的最高溫度和最大溫差方面都有良好的效果，控制最高溫度為44.19 ℃，最大溫差為3.18℃。
結合鋁材料良好的導熱性、相變材料和液體冷卻可以產生均勻的溫度分布，設計了一個鋁板/相變材料/液冷相結合的散熱結構，并且討論了不同影響因素對電池組的最高溫度、最大溫差和PCM 液體體積分數的影響。具體的結論如下:
1) 散熱結構中，加入鋁板后，電池的最高溫度和最大溫差都隨著鋁板厚度的增加而降低，表明此結構能夠控制電池溫度的有效性和均勻性。當水管數量增加時，電池的最高溫度慢慢降低，溫差由于散熱過快而升高，因此選取4 根水管為較優值。
2) 電池的溫度會受到導熱系數和質量流量的影響，隨著質量流量的增加，最高溫度不斷降低。而為了同時控制最大溫差，需要使得導熱和散熱的速度同步，因此，最優的導熱系數和質量流量分別是0.6W/( m·K) 和0.000 5 kg/s。
3) 相變溫度和進水溫度對電池的溫度分布也會產生一定的影響。
展開 【技術】天洑智能優化案例集錦（1）——芯片散熱器結構優化
圖2 電子芯片散熱結構的自動化優化設計流程圖
圖3 AIPOD優化流程搭建示意圖，只需要簡單的流程搭建即可開始優化
1.基于參數化建模方法，有助于AIPOD優化方案的實時驗證、評估和方案迭代，保證優化方案的可行性；
2.基于AIPOD的自動化優化流程，可以有效減少用戶手動操作的過程，基于優化算法的自動尋優也有助于發現新的散熱結構設計方法；
3.基于AIPOD中集成的智能優化算法，可以有效幫助電子芯片散熱系統的結構設計，快速得到更好的散熱結構。
應用價值
1.有效提高散熱系統的平均熱流密度，在相同工作環境下，平均熱流密度可以提高5%左右；
2.高效輔助電子芯片散熱器設計，減少迭代設計的時間和人力成本。在硬件條件允許的情況下，可以同時進行多類散熱器的優化設計。
相關案例
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展開 從散熱分析上修改燈具散熱殼的散熱結構 ￥1
結構1
散熱結構：齒高是13mm;齒厚為1mm；間隙為2mm;
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度122℃。
ANSYS分析結果：130.5℃。
結構2
散熱結構：散熱齒上面中間挖槽。挖了10條寬8mm深4.5mm的槽。
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度137℃(溫度上升了15℃）。
結構3
散熱結構：散熱齒整體降低4.5mm，散熱齒高度8.5mm。
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度160℃(溫度上升了38℃）。
最終得出結果：結構1散熱齒高度最高不挖槽的散熱結構散熱的效果最好。
展開 
基于Icepak的電子控制器散熱設計優化
作者：顧雙峰
作者單位：同濟大學汽車學院
摘要
:
文中以某款汽車座艙控制器為例，闡述了基于Icepak的電子產品散熱仿真分析方法，包括仿真模型的創建及求解分析的過程，并基于軟件自帶的響應面優化模塊，對產品散熱結構進行優化設計，從而得到最適合此案例的散熱結構參數。
結果表明:相較于原方案，芯片結溫降低了約4℃，散熱結構整體質量減小約25%，證明了該設計方法可有效提高產品的設計可靠性。
關鍵詞:控制器散熱設計;Icepak熱分析軟件;散熱優化
0 ，引言
隨著汽車電動化、智能化逐漸成為未來汽車技術發展的主要方向，作為汽車執行決策的“大腦”，電子控制器已經成為汽車零部件中最為重要的組成之一。隨著集成的功能越來越多，控制器的可靠性必然成為設計中最為重要的關注點之一。
“阿雷尼厄斯十度法則”指出: 電子元器件工作溫度每降低10℃，壽命將增加1倍;溫度每升高10℃，壽命將縮短1/2。根據美軍的分析報告，大約50%的電子設備失效案例由工作環境的高溫導致。因此，將電子設備的工作溫度控制在合理范圍內，是工程師在產品設計過程中最重要的關注點之一。
座艙控制器模塊一般布置在汽車的前艙內，可用空間十分有限，如何在有限空間內實現控制器電路板的有效散熱是開發時的難點之一。
傳統的設計方法一般是基于已有的設計經驗進行理論計算，并基于實物樣件進行元器件溫度測試，最終再根據實際情況調整電路板上元器件布局或者增加散熱結構設計
。
這樣的開發過程時間冗長，且設計和更改成本很高，在汽車設計周期越來越短的今天，嚴重制約了整個行業的發展
。
展開 AI賦能電子散熱設計，迅速識別熱風險，實現散熱設計優化（內含干貨直播）
</p><p> 總而言之，Celsius Studio這款產品為電子散熱設計領域帶來了一股新風，有望成為未來電子散熱設計的首選工具。</p><h3><strong>Celsius Studio具有以下優勢</strong></h3><p> 設計人員借助Celsius Studio可以簡化工作流程，改善團隊協作，減少設計迭代，實現可預測的設計進度，進而縮短周轉時間，加快產品上市。
展開 基于Simdroid電子散熱模塊的電子設備機箱散熱設計與優化
一、背景介紹
熱設計就是通過合理的散熱方式保證良好的熱環境，確保電子設備可靠的工作。隨著電子技術的迅速發展，電子設備的結構越來越復雜，且越來越趨于小型化，散熱問題成為了影響設備可靠性的重要因素。據統計，電子設備有超過一半的故障是由過熱引起的，并且故障率會隨溫度升高成指數式增長。為了有效避免電子設備機箱內溫度過高，影響電子器件正常工作，在結構設計時就需要考慮散熱。傳統方法是根據指標要求和工程經驗設計出樣品，做出樣機后用環境試驗測試，根據測試發現的問題進行設計改進，不斷循環得到合格產品，其研制周期和成本都普遍較高。
圖1 典型電子設備機箱結構（圖片來自網絡）
機箱機柜裝配了大量電控組件，這些組件在使用過程中散發大量熱量，如果不及時有效地將這些熱量散發到環境中，將導致設備內元器件或部件溫度過高，影響設備運行性能，甚至引發器件損壞，降低整體設備的穩定性和壽命。目前電子設備的散熱方式可分為自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱電制冷和熱管冷卻等。
風冷散熱一般指采用風扇、空調等設備對機箱機柜進行散熱，其主要特點：
（1）風冷系統簡單可靠、安裝方便、故障率低，在北方部分城市的冬季還可以利用自然冷源對機柜進行散熱；
（2）風冷散熱的本質是將設備產生的熱量轉移到環境中，成本遠低于其他散熱方式；
（3）散熱效率相對較低。風冷散熱通過機箱內散熱器及外表面對機箱內電子設備散熱，散熱效率較低；
（4）散熱風扇噪聲較大，影響使用者體驗。
圖2 典型風冷系統結構圖（圖片來自網絡）
液冷冷卻通常是指利用液體冷卻介質對機柜進行冷卻，液冷冷卻系統通常包括直接水冷系統、水冷背板系統和環路熱管系統等，其主要特點：
（1）散熱效率高。液冷散熱功率可達200 W/cm2，是風冷散熱的20 倍；
（2）噪音低。
展開 盒式自然散熱產品散熱設計和熱仿真方法 ￥29.9
對于室內封閉的盒式自然散熱產品，熱量終歸要全部通過外殼散失到空氣中去。目前絕大多數電子產品，仍然采用自然散熱設計。本文檔以一個盒式設備為例，從需求分析，到中間各環節的散熱方案改進做了詳細闡述，并列示了這類產品熱仿真設置關鍵注意事項。
文檔還論述了一種新型散熱方案的巨大優勢。
功率器件封裝結構熱設計綜述
當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 Altair ProductDesign幫助完成產品散熱系統設計陶瓷簡化LED內部散熱系統
行業：電子消費品
挑戰：在 LED 工作環境下，如何選擇 散熱面和熱管理系統，從而促 進產品設計
Altair 解決方案：Altair ProductDesign 開發了 基于計算流體動力學的仿真流 程，實現散熱管理和優化設計
優點：實現基于新型先進陶瓷材料的 新設計理念的成功應用。
背景介紹
散熱問題已成為限制LED作為光源廣泛應用的瓶頸。改善LED散熱性能的方法主要 集中在散熱器而非LED與散熱面之間的間距與隔熱結構上。最近，AltairProductDesign 為CeramTecAG公司提供的一個咨詢項目中提到：設計理念和材料的改變將在熱管理、產品可靠性以及系統簡化上發揮重要的作用。項目指出，應用陶瓷作為散熱器、載波電 路和部分結構的材料為克服傳統產品弊端提供了可能。為此，AltairProductDesign開發了一種基于計算流體力學支持熱能優化的仿真流程和相關技術產品。
應用陶瓷作為散熱器、電路載體和部分結構的材料幫助CeramTecAG公司克服傳統產品弊端并實現了LED的創新概念設計。通過基于計算流體動力學的仿真實現散熱管理和技術產品的優化設計。
下面案例研究，我們將展示這種新理論的應用，驗證概念設計合理性并描述應用陶 瓷散熱器所獲得的性能改善。
挑戰
眾所周知，LED是一種高效的光源并因其較小的體積而被人們所喜愛。如果不考慮其熱管理機構，LED確實可以設計的很小。白熾燈光源工作溫度可達2500°C。與之相反，LED的工作溫度要低的多。即便如此，以半導體為原材料的LED工作時仍然 會釋放大量的熱量，而半導體所能承受的溫度低于100℃。根據物理學研究顯示，熱能將傳遞到周圍區域。
展開 熱設計的重要性以及PCB電路板散熱設計技巧
在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
10 射頻功放或者LED PCB采用金屬底座基板。
11避免PCB上熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
四、總結
3.1 選材
（1）印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過 125 ℃（常用的典型值。根據選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。
（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
（3）采用多層板結構有助于 PCB 熱設計。
3.2保證散熱通道暢通
（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。
（2）散熱通孔的設置 設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充，使導熱能力提高，電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發掉。在一些特定情況下，專門設計和采用了有散熱層的電路板，散熱材料一般為銅/鉬等材料，如一些模塊電源上采用的印制板。
展開 
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
OCAD應用：菲涅爾透鏡初始結構設計
圖1.菲涅爾透鏡結構形式
菲涅爾透鏡是一種利用多層環形圓錐表面構成的特殊面型結構，用以使光線按預定會聚角會聚的光學元件，他等效于一個球面透鏡，如圖2所示。菲涅爾透鏡多用于要求結構簡單的大孔徑非成像系統，特別是照明系統更為常見。這類系統往往只需要一個單片透鏡，工藝簡單可以模壓成形。在對該類透鏡初始結構設計時利用 OCAD 程序也非常簡單。只要在數據表格中的“表面面型”欄內選擇“菲涅爾面”，接著界面會出現菲涅爾面型設計窗體如圖3。在此窗體表格內首先 利用其中“下插入”或“刪除”工具按鈕確定菲涅爾面的環形圈數，再給出菲涅爾面的表面等效焦距值，進一步按“確定”按鈕即可自動算出該菲涅爾面的各環錐面傾斜角度值。
圖2.菲涅爾透鏡設計菜單
圖3.菲涅爾表面設計窗體
菲涅爾面的基底一般是平面，有時為了某種特殊用途也可以是球面，但這時的球面半徑僅僅只作為菲尼爾面的基底，沒有像球面透鏡那樣具有光焦度的貢獻。決定該面光焦度的是菲涅爾面的等值焦距而不是該面基底半徑。帶有球面基底的菲尼爾面的設計方法與以上相同。
由圖3可以看出，OCAD 在對菲涅爾透鏡自動設計時可以嚴格把各環帶中點的光線匯聚于一點，但對于整個環帶菲涅爾透鏡而言，其橫向像差取決于環帶寬度，因為就每個環帶而言只是個平面光錐，只使光線轉折不能會聚也不能消色差。菲涅爾透鏡的光斑點列圖如圖4。
圖4.菲涅爾透鏡光斑點列圖
圖5.菲涅爾透鏡光學零件圖
對帶有菲涅爾面型的光學系統（菲涅爾透鏡）設計完成之后，OCAD 可以像其他非球面鏡一樣繪制各種光學圖紙。在繪制零件圖是還可以繪出菲涅爾面的所有面型參數，如圖5所示。
展開 基于溫度場仿真的干式變壓器散熱設計
，所對應的冷空氣溫度作為入口，進行有限元的模型設計，如圖4所示。
高熱密度板卡模塊高效散熱設計研究
圖1 板卡模塊整體示意圖（正、反面）
1 使用環境分析
該板卡模塊為用戶定制開發，采用標準VPX模塊結構，根據技術協議中功能性能要求，該板卡模塊主要包括FPGA1、FPGA2、FPGA3、CPU、SRIO等大功率器件，整板典型功耗預計為145 W，最大功耗預計可達185 W，具有整體功耗高、功率器件多、器件排布密的特點，屬于典型的高熱密度板卡模塊。
板卡模塊整體安裝于用戶標準VPX機架中，機架整體采用強迫風冷散熱，由模塊的右側進風，左側出風，板卡模塊上的所有功率器件均需將熱量傳導至散熱冷板，通過流經冷板的冷風流帶走熱量進行散熱。
2 總體結構布局
該板卡模塊采用標準VPX模塊結構，滿足VITA46/VITA48.1/VITA65標準，由主控板、子板1、子板2、正面散熱冷板、背面散熱冷板、左右支撐條、前擋條等部分組成。
左右支撐條安裝于板卡模塊的兩側，起支撐固定作用，正面散熱冷板組件貼覆于主控板top面，作為板卡模塊主要散熱組件的同時支撐板卡模塊整體，如圖1所示。
3 高效散熱方案研究
3.1 溫度指標要求
1）工作溫度：（-40～55）℃；
2）貯存溫度：（-55～70）℃。
3.2 主要功率器件分析
由于低溫工作、低溫貯存及高溫貯存的指標重點考核所選用器件本身能力[4]，主要通過元器件選型和元器件篩選實現設計要求，本文不做展開分析，重點研究高溫工作條件下的主要功率器件工作情況。
板卡模塊的高溫工作條件為55℃，按照各模塊電路的設計方案，通過理論計算結合經驗設計，考慮電源效率后，板卡模塊主要功率器件功耗統計如表1所示。
展開 SiC 雙面散熱封裝結構傳熱性能分析
由于各種材料的限制，硅基功率器件在許多方面已經達到其材料的理論極限，目前所存在的功率模塊封裝技術大部分都是 為硅基功率模塊設計，將其直接應用于 SiC 功率模塊，會出現使用頻率、散熱、可靠性等多方面帶來的新挑戰。本文從熱角度分析 SiC 技術設計方案的關鍵影響因素，這為發展針對 SiC 器件工作特點的高可靠互連封裝技術提供參考依據。
二、 仿真模擬模型
2.1 SiC 雙面散熱功率模塊模型假設和簡化
雙面散熱功率模塊的主要結構包括 SiC 芯片、二極管芯片、燒結銀焊層、DBC 基 板（包括上銅層、氮化鋁陶瓷層與下銅層）、陶瓷層及填充介電層，功率模塊實際示意 圖如圖 1 所示。對模型進行假設和簡化：功率模塊中的各層材料和結構均為各向同性的均勻層狀結構；忽略外殼模型的建立；仿真建模時只建立了包含單個 SiC 芯片和單個二極管的有限元模型；對芯片與二極管之間的鋁鍵合線等進行了省略，只對整個模型的 一半進行構建，對模型進行切分并賦予材料。
圖1 雙面散熱功率模塊實際示意圖
2.2 SiC 雙面散熱功率模塊有限元模型的網格劃分與收斂性分析
單元類型為 Thermal Solid 8node 70 單元。在芯片和燒結銀焊層位置適當的將網格單 元密度增大，其余位置適當降低網格密度。
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