PCB板熱仿真的案例
芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環形冷泵散熱系統說起
三、Icepak板級熱仿真實操
熱設計當今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結構，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對于電子散熱仿真是一款非常專業的軟件。在汽車電子散熱仿真來說，由于車廠其他結構和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統一習慣，也為了處理異形的CAD結構，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來說，Flotherm有一定的優勢，它需要更多繁瑣注意項，以及操作流程。
不光是汽車行業，這幾年芯片計算能力需求的飛速發展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結構熱耦合仿真。對于PCB板級熱仿真，Icepak可以導入精確的布線，并通過metal fraction計算局部的導熱系數，這樣更好的得到一個貼合實際的結果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數據相關聯。
做板級熱仿真，首先第一步便是參數的收集。要知道所處的工作溫度（環溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應的位置，是否有風或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊的相關內容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個熱阻參數是雙熱阻模型所必須的，最大結溫是為了驗證結果是否超溫。
展開 仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
請注意，包和板沒有相同的堆棧，如果要在一個模擬中組合PCB電路板和封裝，這可能是一個挑戰。HFSS3D layout流支持層次結構，這意味著您可以通過簡單的復制/粘貼將具有不同堆棧的兩個設計組合起來。
圖4顯示了封裝，PCB電路板以及復制/粘貼整合了封裝和PCB電路板設計結果的三維視圖。整合封裝和PCB電路板的設計清楚地表明，必須使用有限電介質才能正確地表示物理結構，因為封裝的電介質層必須僅在封裝所在的位置繪制。電磁求解器使用的有限元法(FEM)處理任意的三維結構和有限的介質層。
圖4.封裝設計、PCB電路板設計、復制/粘貼后的PCB電路板的封裝
設置仿真
導入設計后，在運行模擬之前還需要執行幾個步驟。第一步是定義激勵。由于實現了顯著的自動化，此步驟非常簡單，只需選擇一個邊緣或過孔并將其轉換到一個端口（圖5）。創建端口后，還需要三個步驟：定義仿真設置、頻率掃描和空氣腔大小。這些都是通過在相關屬性窗口中輸入參數來完成的。仿真設置定義解算器用于創建初始網格和完成自動自適應網格過程的參數。有幾個選項允許用戶根據仿真的結構優化設置。對于這種特定的設計，解決方案頻率設置為20 GHz（用于自適應處理的頻率），因為我們希望仿真結果為0 GHz到40 GHz的帶寬。將基函數的階數設置為混合階，并選擇迭代求解器。頻率掃描設置是根據提取模型的最終用途定義的。在大多數情況下，提取的模型用于時域電路仿真，結合有源模型（驅動、接收）來評估封裝和板對傳輸信號的影響。例如，可以評估眼圖 eye diagram 性能。即使提取的模型可以是寬帶SPICE模型，默認格式也是S參數。
展開 Workbench案例3-PCB電路板芯片熱分析
簡介
下圖所示的電路板包括三個在正常運行時會產生熱量的芯片。其中一只芯片要電路板通電，芯片就會保持通電，另外兩個芯片通電和斷電是周期性地，在不同的時間以及有不同的持續時間。穩態熱分析和瞬態熱分析用于研究由這些芯片產生的熱量引起的溫度變化。
操作步驟
創建穩態熱分析項目：Steady-State-Thermal；
在穩態分析項目之后，創建一個瞬態熱分析項目，并于穩態熱分析項目連接；連接方式如圖所示：
導入幾何模型：導入PCB板的幾何模型X_T格式；切換單位制為：Metric（m,kg,N,s,V,A）
網格劃分：設置網格劃分方式為Multi Zone；
設置Sizing：選擇初PCB板之外的其他15個元件，設置網格尺寸為：0.0009m；
設置Sizing：選擇PCB板，設置單元尺寸大小為：0.002m；如圖所示：
設置邊界條件：
設置發熱芯片的發熱量：Internal heat generation 大小為：5e7W/m3；芯片位置如圖所示：
設置熱傳導Convection：選擇所有的幾何模型；在Film Coefficient欄右鍵，選擇Import Temperature Dependent，如圖所示：
選擇Stagnant Air-Simplified Case；如圖所示：
5.求解&查看結果：查看穩態分析結果的PCB板及元件溫度場如圖所示：
現在已完成穩態熱分析，這是總體目標的第一部分；對于本案例，將在其余步驟中執行瞬態熱分析。
準備瞬態熱分析時需要注意的事項：
? 如果突出顯示瞬態熱對象下的初始溫度對象，會注意到在詳細信息視圖中，只讀顯示初始溫度和初始溫度環境。
展開 熱設計的重要性以及PCB電路板散熱設計技巧
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本文部分內容摘自：”專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程“ 第23章節中分內容。
專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）
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我所理解的熱仿真---ANSYS ICEPAK電子散熱仿真全套原創視頻教程
一、熱設計的重要性
電子設備在工作期間所消耗的電能，比如射頻功放，FPGA芯片，電源類產品，除了有用功外，大部分轉化成熱量散發。電子設備產生的熱量，使內部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發，設備會繼續升溫，器件就會因過熱失效，電子設備的可靠性將下降。SMT使電子設備的安裝密度增大，有效散熱面積減小，設備溫升嚴重地影響可靠性，因此，對熱設計的研究顯得十分重要。
搞射頻的兄弟有柴，這樣散熱也行？
對于PCB電路板的散熱是一個非常重要的環節，那么PCB電路板散熱技巧是怎樣的，下面我們一起來討論下。
對于電子設備來說，工作時都會產生一定的熱量，從而使設備內部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發出去，設備就會持續的升溫，器件就會因過熱而失效，電子設備的可靠性能就會下降。因此，對電路板進行很好的散熱處理是非常重要的。
二、印制電路板溫升因素分析
引起印制板溫升的直接原因是由于電路功耗器件的存在，電子器件均不同程度地存在功耗，發熱強度隨功耗的大小變化。
展開 
熱模擬驅動產品設計 — 降低高密度PCB板溫度的方法論
當前，電子產品朝著功能齊全、輕量化、低成本的方向發展，這種需求使得PCB板必須在高密度電流的情況下工作。一般來說，汽車電子產品在惡劣的環境中運行。在過去的幾十年中，電子在汽車行業中使用越來越多，其對輕量化和經濟高效電子的需求呈指數級增長。
另外與外部包裝輕量化要求相同，電子產品的功能增加了很多，這勢必對電子產品的熱管理提出了挑戰。為了滿足應用程序所需的眾多功能，電路板器件的密度、PCB板上的電流也增加了很多。
在高電流的需求下，焦耳加在PCB板上的熱耗是非常大的。如果采用自然散熱的方式，不對PCB表面使用額外冷卻手段的情況下，PCB上的器件和銅箔層的散熱是一個巨大的熱挑戰。
關鍵詞：設計優化 電-熱模擬 焦耳加熱 高電流密度 PCB
在本研究中，該產品包含，一個塑料外殼，PCB及能夠在高電流下工作的電子元件。該PCB產品擁有多個輸入和輸出，支持各種負載。高密度電流流過PCB中的多層銅箔上。這些銅層(由于尺寸的限制) ，在高密度電流情況下，勢必導致較高的焦耳熱。另外，在PCB基板上有多個電子部件工作。結果，這些部件處于較高的工作溫度下。
本研究使用熱風險管理工具(Thermal Risk Management tool，TRM)進行電熱模擬，熱測量分別通過熱成像和熱電偶，來對熱場和元件的溫度進行測量。熱模擬與測量的結果進行對比，誤差在±3%范圍內。
在驗證了熱仿真模型的基礎上，通過仿真進行了參數化研究，優化了銅線的幾何形狀和元件位置，優化了元件、PCB的功耗、PCB布線的布局堆疊和PCB基材。這種優化有助于減少PCB板上的熱點和溫度。在早期產品的開發階段，可以大大降低開發成本和產品成本。
展開 怎樣才能做好PCB熱仿真分析？
一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環境溫度，使設計人員用于計算元器件的功耗，通過進一步重復計算元件溫度知道是否還需要做其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環境溫度或元件內部溫度的影響，不同封裝形式的元器件規格也不同。PCB 設計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗。
計算元件溫度最準確的方法是作瞬態熱分析，但是確定元件的瞬時功耗十分困難。一個比較折衷的方法是在穩態條件下分別進行額定和最差狀況分析。
PCB受到各種類型熱量的影響，可以應用的典型熱邊界條件包括:
前后表面自然或強制對流
前后表面發出的熱輻射
從PCB邊緣到設備外殼的傳導
通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導
從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導
2個PCB夾層之間散熱器的傳導
目前做板級熱仿真分析比較主流的軟件一般是Flotherm，通過熱仿真分析可以對熱設計進行檢驗，尋找設計缺陷，對方案的適用性和有效性進行評價。而PCB熱設計優化也是一個不斷迭代的過程，通過設計—仿真—測試循環不斷地流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度，補充PCB熱設計經驗。
如果你有志學習熱仿真，歡迎參加元王CAE仿真實訓營，掌握CAE仿真分析方法，穩扎穩打學基礎，專題案例練實操，實戰項目獨立做，包教包會推薦就業！
展開 ANSYS CFD/ICEPAK 在電子、電氣熱設計和散熱分析技術高級培訓班
2016年7月13日 - 2016年7月14日
9:00 - 17:00
培訓內容：
第一天
■CFD理論及ICEPAK軟件簡介
CFD入門基礎簡介
ICEPAK軟件功能簡介
■ICEPAK軟件介紹（熟悉軟件操作界面）
模型建立
網格劃分
邊界條件
求解設定
后處理（ICEPAK后處理及CFD-POST后處理）
■PCB板熱仿真分析案例（結合軟件demo）
案例介紹
Demo演示
第二天
■機箱散熱仿真分析案例（結合軟件demo）
案例介紹
Demo演示
■ICEPAK參數化案例分析
ICEPAK參數化分析
Workbench參數化分析
■LED案例仿真分析
復雜外部模型的導入
網格如何細化設置
■答疑
培訓講師： ANSYS認證工程師
收費標準： ￥4000/人，包括培訓費、資料費、書籍費、證書費和上機費（學員食宿自理）
電腦：學員自帶筆記本為主，ANSYS公司提供12臺電腦
上課時間：2016年7月13日-14日（上午9點-12點，下午2點-5點）
上課地點：ANSYS原廠深圳分公司：深圳市福田區金田路4028號榮超經貿中心1009
點擊下載ANSYS仿真高級培訓班報名回執表
報名方式：填寫報名回執表發送Email或傳真至深圳分公司（0755-82550670）
深圳聯絡人：莊百興 18675506525 baixing.zhuang@ansys.com，0755-82552976
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團體報名：￥3200元/人（3人及以上）；5人報名，1人免單
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展開 ANSYS網絡培訓 — PCB和封裝的翹曲、熱快速仿真方法
2017年2月9日
20:00 - 21:00 (CST)
注冊 ?
聯系方式：
郵箱：info-china@ansys.com
電話：4008198999
網絡研討會介紹：
電路的集成規模越來越大，I/O數越來越多，PCB互連密度不斷加大，隨之帶來許多PCB及集成電路封裝可靠性問題。ANSYS專門針對PCB設計分析解決方案，結合最佳仿真前處理工具SpaceClaim，在Mechanical使用TraceImport功能，可以快速從ECAD中直接導入PCB熱物參數，從而能在Mechanical中快速進行準確的PCB板熱分析、熱應力分析、翹曲分析。
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展開 基于參數優化的 LED 驅動電路 PCB 熱仿真分析
摘要
為提升車規級氛圍燈LED驅動電路板(PCB)熱設計問題,該文提出了一種參數優化仿真的分析方法?該方法基于熱傳導?熱輻射和熱對流原理,使用ANSYSICEPAK軟件,從PCB尺寸?過孔設置和材質3個方面對參數進行了熱仿真優化實驗,分析了相同設計原理情況下,不同PCB布局和尺寸設計時熱仿真結果的差異性,并對參數進行了優化設計,實現了驅動電路熱性能的改善,滿足了車規級溫度的仿真要求?
關鍵詞：LED；熱仿真；ANSYS ICEPAK；印制電路板
作者：張開峰 1，安世龍 1，付 康 2，謝亞明 1，高 燕 1，萬國春 1
1. 同濟大學 電子與信息工程學院，上海 ；
2. 上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海
隨著電子行業的快速發展，汽車級電子元件的性能越來越優越，以集成電路及芯片為主的微電子系統在信息、汽車電子等領域的應用越來越廣泛。
展開 PCB及封裝結構熱應力協同仿真新功能及應用實例培訓
PCB及封裝結構熱應力協同仿真新功能及應用實例，時間：2017年6月21日，晚上8:00： http://event.31huiyi.com/615702442
波紋板的對流換熱數值仿真 ￥800
波紋板是一種具有波浪狀結構的金屬板，在對流換熱中具有重要的應用。波紋板的波浪狀形態可以增加其表面積，提高熱傳導效率和對流換熱效果。本案例建立了一簡化二維模型，基于COMSOL軟件的熱-流耦合相關模塊，數值仿真得到對流換熱后的溫度場和速度場分布，如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
均熱板相變傳熱仿真分析
因為真實均熱板微槽道結構數量非常之多，數值模擬時所耗費的時間長且對硬件設施要求高，故選取從真實均熱板內部切出一個小單元體為仿真模型，運用有限元的思想，以部分代替整體來研究類似毛細管道的微槽道結構形狀對均熱板散熱性能的影響，對比3種結構選出最優方案，為均熱板微槽道結構設計提供一些理論依據，同時本文還研究了3種結構均熱板的均溫性及內部流體域壓力、速度變化情況。
2 均熱板數值模擬過程
2.1 三維模型構建
本課題以微結構尺寸如圖3所示，以直徑為6 mm,高度為3 mm的圓盤狀均熱板為研究對象，利用UG三維軟件構建三種微槽道結構，如圖4所示，該模型選取自實際應用均熱板的一個小單元，運用有限元思想，以部分代替整體。將該模型導入Geometry模塊，進行邊界條件定義。
展開 【AICFD案例操作】冷熱板輻射仿真分析
圖5-2 結果更新
3）可視化結果
① 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數溫度，設置等級參數256，點擊應用，讀取冷熱板區域溫度云圖。
圖5-3 溫度云圖
② 輻射云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數輻射強度，設置等級參數256，點擊應用，讀取冷熱板區域輻射強度云圖。
圖5-4 輻射云圖
Ansys 案例研究 | 太陽能電池板熱吸收仿真分析
太陽能電池板將太陽能轉化為電能，并可儲存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。
在仿真案例中，將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩態下到達板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應。
目標
觀察由于一個發熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
步驟
1. 打開 Ansys Workbench，創建一個穩態熱分析系統（Steady State Thermal Analysis system）。
2. 定義材料屬性。大多數太陽能電池板由硅制成，此處僅作演示使用硅材料。球體采用鋼材作為材料，用以表示熱源。
3. 導入模型，其外觀如圖1所示。
圖1：太陽能電池板與熱源
4. 為幾何模型賦予材料屬性。
5. 對球體施加10000W/m3 的內部熱生成，用以表示發熱物體；然后在球體表面與太陽能電池板上表面之間定義表面對表面輻射，使熱量通過輻射在這兩個表面之間傳遞，如圖2所示。發射率取值為0.7，假設太陽能電池板頂部未覆蓋玻璃蓋板，該值可在0.7至0.95之間變化。環境溫度設為220°C。
圖2：內部熱生成與輻射邊界條件
6. 對于輻射問題，設置子步有助于收斂。在分析設置詳情中定義子步，如圖3所示。
圖3：為分析定義的子步
7. 采用線性網格對模型進行劃分并求解分析。得到的太陽能電池板表面的熱流密度矢量圖和溫度分布如圖4和圖5所示。
展開 如何全面地考慮電子產品板級熱仿真問題
作者利用ANSYS Icepak和SIwave的雙向耦合技術，分析了PCB的布線導熱率分布、銅線焦耳熱及其溫度對導熱率的影響，以此得到與真實情況最為相近的結果，用于評估發熱問題。此方法可為企業設計與生產節約大量的時間及產品成本。
印刷電路板（Printed Circuit Boards，以下簡稱PCB）是由絕緣介質（FR4）與銅進行層疊的多層基板，是現今電子產品中用于電子元器件內電氣連接的重要載體。各種芯片、元器件焊都需要在PCB上進行連接，形成板級電路。
板級產品設計時需要考慮到電可靠性與熱可靠性。電可靠性包括功率及信號完整性，功率與信號完整性的設計會引出熱損耗的問題，因此我們需要同時去評估熱可靠性，之后兩者之間會進行一個設計的迭代，最后得出可靠的設計結果。
在這里我們主要以ANSYS Icepak與SIwave為載體，討論一下使用仿真去評估熱的問題。
發熱原因
板級電路上的功耗主要來源于大功率的電子元件。
■ PCB中，由于銅線的細小結構會存在較大的電阻，過孔處也會有較大的電流密度的聚集，加上錯綜復雜的排布，使得電流過載時產生難以預料的過熱點。
■ 另外，布線產生的焦耳熱與功率器件發熱的疊加效應也是使得電子產品熱失效/燒毀的原因之一。
電流過載時引起線路的燒毀
熱評估方法
傳統的板級熱仿真會使用電子元件的功耗及其等效的PCB導熱系數去做熱評估，但是現在可以更加精確快速地完成設計的仿真評估。
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