网络和电信系统中的可靠性 — 管理过多的热量

文章来源：Mentor机械分析

从概念设计到最终产品过程中的热设计问题

电子设备内部是包含多种实体对象（例如 PCB、电子封装和器件、缆线、风扇和散热器）的复杂组件。气流被限制在这些实体对象之间的狭窄区域内。实体对象（可能具有极其复杂的内部结构）内部的传导与空气内的对流传递同样至关重要。各种分析会涉及大量此类对象（有时甚至成千上万）以及极大的规模差异（从米到微米级别）。

上述复杂因素对电子产品的热仿真构成了一系列独有的挑战，包括：几何形状捕捉、规模差异、缺失数据造成的不确定性（元器件热数据、功耗、材料属性、层厚、界面热阻）、过渡流态、网格生成、硬件环境以及更高的精度需求。

尽管智能手机的散热量不如服务器那么大，但由于电路被 限制在封闭的外壳中，因此热管理同样非常重要。 

化解电子产品面临的热设计挑战

电子散热 CFD 软件 FloTHERM XT 旨在化解以上挑战。FloTHERM XT 可以更轻松地对更复杂的器件和外壳建模，并在必要时连接 SmartPart 技术，尤其适合航空航天／国防领域的设计工程师。

在一些通用 CFD 代码中，网格划分可能会占用大量时间和精力，并且一旦出错，就会对项目造成重大挫折。大多数通用机械工程师会在任何可能的情况下让软件来替他们完成工作，但在获得切换至更多手动定义的能力后，这一需求仍在继续增加，并且还增强了对更复杂的网格划分策略的需求。FloTHERM XT 中的高级代码提供了基于对象的半自动算法，以及根据需要手动调整网格的选项，或者为更有经验且具备 CFD 知识的热工程师提供所需自由度和控制的选项。

FloTHERM XT 使用极其稳定并且能以半自动方式操作的数值架构和求解控制，因而只需极少的人工介入即可控制求解的收敛。

在电子散热应用中，与湍流建模相关的问题非常罕见，但如果出现，将会是结果中的最大误差源。更有可能出现的问题是功耗、材料、流量或界面热阻方面的不确定性。但在一些更专业的设计中，湍流也可能受到关注。FloTHERM XT CFD 解决方案可针对感兴趣的应用领域提供可能的最佳模型，并且仅在有明确的理由时提供备选方案。该软件提供层流、过渡流和湍流选项，但会限制可用的湍流模型以避免混淆。FloTHERM XT 将两方程常规模型与专有的浸入边界处理组合使用，以实现可在不同流态之间平滑转换的近壁效应，进而获得适合电子应用的优异基准测试结果。

用户界面多用性 

FloTHERM XT 针对电子散热应用中的快速建模量身定制，可为 MCAD 工程师以及热专家的需求提供支 持。FloTHERM XT 在构建时充分考虑了将会使用该工具的各类工程师的个人需求。它包含一流的 CAD 接口工具套件和几何形状引擎，以及用于选择以“完整”或“精简”模式运行该软件的简单选项。精简模式是一个控制开关，可将许多不常用的功能和工具栏淡化，从而降低功能的繁杂性，方便未接受过 CAD 培训的人员使用该软件。

以设计流程为中心

FloTHERM XT 提供可在其中更改几何形状并快速重新生成仿真结果的快速设计环境。它的设计非常适合复杂的机械设计环境以及当前电信公司现有的相关流程。在 FloTHERM XT 中，导入的 CAD 与内部生成的几何形状功能无缝地结合在一起，从而实现供应链集成，并且为产品提供机会融入机械设计流程从早期概念设计到最终产品验证的任何位置（图 1）。

图 1：通过 FloTHERM XT 实现 MDA 和 EDA 设计流程的互连。

软件可融入此最优设计流程并尽可能早地最大限度降低与热设计方面相关的风险。通过将实体建模引擎与指向最常用的 EDA 设计套件的本机链接相结合，FloTHERM XT 可帮助设计公司通过为产品创建可能很简单也可能很详细（视需要而定）并且与 MDA 和 EDA 系统中的设计保持同步的三维模型，来拉近机械设计学科与电气设计学科之间的距离。FloTHERM XT 还可帮助设计公司进一步压缩设计时间，降低成本和项目风险，同时提高系统元器件的可靠性。

其独有的 EDA 接口功能集（FloEDA Bridge，包括更新功能）使得它能轻松地与最新的 EDA 设计变更保持同步（图 2）。

图 2：FloTHERM XT 可轻松连接 EDA 工具。

利用 FloTHERM XT，可以在概念阶段开始仿真，并持续进行直至完成实施。纠正流程后期的设计错误所需的迭代较少，并且可保持不间断的向前进度，从而缩短上市时间。

这款独特的软件可供设计工程师和热专家使用；它可以快速验证甚至消除实验变更，并且提供了更多进 行“假设分析”的机会，从而获得更具竞争力的产品。它能减少对工作任务繁重的热专家的依赖，并且 填补 EDA 和 MDA 设计领域之间的鸿沟。

借助 PCB 设计工具提供的直接集成功能，可消除极易出错且耗时费力的转译过程。经过筛选的 PCB 数据 （例如非散热元器件的数据）可缩短计算时间，并且系统还能记忆筛选器设置。FloTHERM XT 使得设计公司能够充分利用 Mentor Graphics 在 PCB 系统设计工具领域的领先产品。

FloTHERM XT 提供自动网格划分、收敛、简单易用的 GUI、模型构建以及针对最复杂系统的高效仿真，与通用型 CFD 解决方案相比，能够大幅缩短花费在热仿真上的总时间量（图 3）。

图 3：FloTHERM XT 具有简单易用的可自定义界面。

贝思科尔（BasiCAE），专注为国内高科技电子及半导体等行业提供先进的电子/结构设计、散热仿真分析、半导体热可靠性测试及设计数据信息化管理的解决方案和咨询服务。