电子产品热设计的 10 大挑战

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概述

电子设备的小型化趋势正在持续增加所有封装级别的功率密度。设备小型化源于降低成本考虑，这也是许多行业的关键驱动因素，其结果就是设计裕量越来越少，对过度设计的容忍度越来越低。这一点对于产品的物理设计来说尤其准确，因为过度设计会增加产品的重量和体积，很多时候还会增加制造和组装成本，从而增加最终产品的成本。

有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要。将部件温度控制在规定范围内是确定某项设计可接受程度的通行标准。散热解决方案可直接增加产品的重量、体积和成本，且不具有任何功能效益，但它们提供的是产品可靠性。如果没有散热系统，大部分电子产品用不了几分钟就会发生故障。漏电流以及由此产生的漏电功耗会随着芯片尺寸缩小而上升；此外，由于漏电与温度密切相关，因而产品热设计就更加重要，正如需要为物联网 (IoT) 设备保持电量一样。

那么，企业中的工程管理人员应如何介入涉及复杂和/或高功率电子部件的产品开发流程才能确保其产品既保持应有的热性能又满足其他设计要求呢？

要回答这个问题，我们需要探讨电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题。

1. 热设计所涉及的工科范围

电子散热（或称为热设计）其实是一个相当小众的细分领域。二十年之前，热设计通常是企业中的集中设计活动，配有热专家团队，成员主要是具有热传递知识背景的机械工程师，为所有业务部门提供热设计服务。当时，产品的机械部分（包括任何散热解决方案）与电子部分是独立进行设计的。那时的产品开发速度非常缓慢，因为大部分精力仍然放在产品的物理样机研究，用于纠正设计完成后可能出现的问题。但今天，热设计作为一个学科领域可能由负责某个产品设计的跨学科团队中由一个或多个成员来完成（具体视公司或行业情况而定）。

对于那些以确保产品热运行正常为己任的设计师来说，热设计既可以是专职工作，也可以是兼职工作；他们可能是同时涉足产品机械的通才（而非热处理专家），也可能是电子专业工程师。

在企业或业务部门内考虑优化热设计事宜时，应考虑团队成员的专业背景和实际技能。由于其专业背景各异，可能需要各不相同的热设计工具来发挥各自的最大效率。因此，从设计工具的角度考虑，一定要因地制宜，不能一刀切。

2. 不同的目标设计环境

为什么当初热设计人员都来自机械或电气专业背景？部分原因在于历史上企业对热设计的一贯看法，以及因此而产生的热设计如何与其他设计活动相结合的问题。

在部分企业中，热设计可能被视为 PCB 设计流程的一部分，与主要的电子设计并行，尤其是设计用于标准插架的产品时；在此情况下，承担热设计任务的则可能是电子工程师，习惯使用 EDA 工具，此时，最好为他们提供基于 EDA的 PCB 仿真解决方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 产品，其中包含有热分析模块，当然还有设计规则检查、电源完整性、信号完整性、三维电磁以及模拟仿真等。

HyperLynx 的热设计界面图片（其中显示的是热模型）

而在另一方面，热设计可能被视为与产品机械设计部分并行，这一点在传统行业（例如汽车行业）较为普遍，因为这些产品中的电子成分一直增长缓慢，直到最近几年。在此情况下，承担热设计任务的则可能是汽车工程师、机械工程师或产品工程师，习惯在企业 PLM 环境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如达索系统集团的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西门子的 NX等。此时，最好为他们提供直接嵌入在 MCAD 系统中的热设计解决方案，一来对他们轻车熟路，二来恰好与企业现有工作流程完美契合。Mentor 公司的三维计算流体动力学 (CFD) 分析解决方案 FloEFD已经植入上述所有 MCAD 系统，并与欧特克 Inventor 和西门子 SolidEdge 紧密集成，提供专门的支持模块用于电子散热和 LED 照明等应用。

西门子 NX 界面图片（其中显示的是 FloEFD 热模型）

从更广义的角度来看，热设计应位于上述主要 EDA 和 MCAD 设计流程之间的某个位置。承担热设计的人员可能是一个同时拥有机械和电子专业背景的混合人群，他们需要使用上述两种工具集生成的数据，但又对其运行知之甚少。对于这群人，独立运行且与上述主要设计流程进行无缝集成的解决方案应该是最佳选择。传统的 CFD 电子散热软件就是针对这一工程师群体和环境设计的。

3. 研发中产品的类型及产量

我们已经了解工程师和设计环境对于热设计的有效运作会产生怎样的影响了。其实，正在研发中的产品其所属类型及未来产量对热设计同样有影响。

在传统行业中（例如航空、核能、汽车等），CFD 软件一直用于分析研究产品的性能，主要原因是产品的设计时间相对较长，对安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。这些行业中电子设备的热设计当然也会受到这些因素的影响，关注重点降低元器件温度，留出充分的安全裕量，设计值往往低于其额定值以延长产品使用寿命。因此，设计人员花费大量设计精力用于增加散热系统的冗余，以致于如果风扇发生故障，系统仍能在规定范围内保持正常运行，而且更换风扇可以在系统运行状态下进行。

而对于今天的高量产消费类电子产品来说，成本和性能则成为主要决定因素。随着更新换代的步伐不断加快，产品的设计周期也被大量压缩，从概念设计到最后投产仅用数个月。尽量降低产品单位成本成为设计活动的主要目标，这就需要对设计空间进行仔细研究探索，确保选择最具成本效益的散热解决方案，选择时要考虑来自设计各个方面的影响，例如封装选择、PCB 布局、电路板架构以及围护设计（包括风扇尺寸、位置、通风口定位等）。这种独特而又具压倒性的要求（快速分析与设计空间探索）引发了市场对电子设备散热专用 CFD 软件的研发热潮，这一潮流从上世纪 80 一直持续至今。这些解决方案将不同的 CFD 技术应用于传统的贴体式 CFD 程序，从而实现快速生成第一结果，而后则以更快的速度进行设计迭代。

这种技术的一大关键优势是，对热模型的任何修改，包括几何尺寸更改、网格划分、解决方案以及对结果的后期处理等，可全部实现自动处理。这样就提供了一个其他无可匹敌的功能，既能够继续探索设计空间优化，同时又能释放宝贵的工程资源用于价值更高的活动。

4. 适应现代技术的飞速发展

产品设计小型化的总体趋势催生了日益凌乱和复杂的几何模型，加深了产品中机械成分与电子成分的紧密集成，其中最为典型的就是移动应用，代表产品包括智能手机和平板电脑等。

设计小型化在产品级别的一个结果就是流动空间被大幅压缩，从而限制了对流散热的范围。这些小型空间会导致内部空气出现层流化流动，其湍流强度由槽壁生成的剪切力决定（同时影响着湍流生成与湍流阻尼），这实际上减少了捕捉湍流效应数值的需求。随着时间推移，空气中的升温对于 IC 封装体内部结点升温幅度（高于环境温度）的影响会越来越小；反过来说，产品小型化趋势对以下方面的要求日益提高：几何模型精度、材料、表面特性捕获、表面间辐射以及（在某些应用中）太阳能辐射等。电源层与接地层中的电流密度以及直流走线已经到了相当严重的地步，其已成为电路板中的热源，在后期设计中不得不加以认真考虑。上述这些技术性变化将带来日益增长的需求，那就是将热模型与机械 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它们所描绘的几何模型同时实现集成。更小型的功能及芯片封装尺寸（规模上与电路板上用于信号传递和功率输出的铜皮功能相类似）则需要采用相应的、高水平的细节来呈现。

FloTHERM XT 中内置的 Microsoft Surface Pro 和热模型，为清晰起见隐藏了部分几何模型细节

5. 与设计工具集相集成

随着机械与电气设计学科的逐渐融合，加上产品小型化的发展趋势，这就要求在一个设计流程中进行的更改必须及时反馈到其他流程中。传统的面向 PCB 设计的二维方法现已获得显著增强，可以使用三维视图、库和各类 DRC 选项。

FloTHERM XT 内置了 MCAD 内核，可以导入利用前述所有主流 CAD 平台生成的原始 CAD 几何模型。经由FloTHERM XT 修改过的零件可以采用同一原始 CAD 格式导出并重新导入至原来的 MCAD 环境，确保零件历史数据得以完好保留。

FloTHERM XT 支持与其他公司的 EDA 设计套件实现同步，例如 Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 解决方案联盟成员企业。功能包括对电路板外形进行编辑、对元器件进行转换、任意角度旋转、任意调整尺寸等，还支持 IDF 导入。

与 EDA 和 MCAD 系统实现近乎完美的集成是目前热设计与其他设计工作流程有效保持一致的前提条件，但就其自身而言，这还远远不够。

6. 为散热技术提供支持

产品小型化趋势同样对散热技术的选择产生影响。前些年，由于笔记本电脑中的空间有限，人们放弃使用台式机上传统的轴流风扇，改用离心风扇进行散热，同时采用热管技术将热量从 CPU 所在的中心位置引导至位于离心风扇下游的热管散热翅片部分，然后直接排入环境中。散热器和导热垫也常见用于空间受限的设备，合成射流技术也有使用，多见于 LED 照明领域。

创新型的散热器和风扇组件设计大行其道，液冷技术的应用也日益增加。FloTHERM XT 可以轻松处理上述所有散热解决方案，因而是电子设备系统设计在寻求复杂几何形状散热解决方案时的理想工具选择。风扇、散热器、热管等散热解决方案通常是外购元器件，他们虽然在 EDA 设计工具中不发挥任何功能性作用，也不在企业 MCAD 系统中进行设计，但必须将其纳入设计考虑范围。

热管或许是个最简单的例子，从外表看它不过是长长一根细管子，可任意弯曲，也可根据需要进行挤压；但它的表现会影响系统性能，因此，对于热管是否按预期发挥作用应进行检查，例如使用 Mentor 公司的 T3Ster 热特征提取硬件即可进行相关测量。散热器通常形状复杂，需要供应商以 CAD 模型形式提供详细的几何尺寸。电子散热 CFD 工具须能够导入任意格式的 CAD 模型。风扇需要提供风扇曲线，给出压降与流速的关系特征以便正确计算风扇与系统中空气流动阻力之间的相互作用。另外一个关键点是，如果系统采用轴流风扇时，电子散热 CFD 工具应能正确分析确定非轴向元器件对空气流动的影响。这一点在系统流动阻力居高不下时非常重要，会减少系统中的空气流量。

T3Ster 测量值确认了瞬态热管性能

7. 处理长度规模的范围

电子系统的一个独特之处是其所包含的长度规模范围，从芯片表面的纳米到数据中心机架的米，共分九级。这对任何 CAE 工具来说都是不小的挑战，对于那些使用贴体网格的工具尤其如此。

将所有一切都纳入模型既不现实也不可取。部分原因是，虽然仿真分析可以在某些方面对优化设计提供最大帮助，但其中很多信息仍不为人所知。例如，PCB 布线一般要在设计后期元器件布局完成后才能进行，但糟糕的元器件布局可对系统热性能带来灾难性影响。

通常的做法是使用简化行为模型处理芯片封装（通过一系列紧凑封装建模级别，直至详细的热模型）、PCB、风扇、散热器等。在后期设计中，经常需要将产品各个方面的几何模型细节纳入到设计模型中以获得高保真的仿真结果，例如详细的 PCB 走线层、PCB堆栈中的电源层与接地层、热临界部件的详细模型、以及所用任何散热器的详细模型。许多公司在各个不同的封装级别都采用传统的 V 模型来进行热模型的设计、实现及验证，这样可以在整个开发流程中建立对模型的信心，当然，公司的产品设计和生产活动通常并不涉及所有这些封装级别。

Mentor 公司的热仿真与特征提取解决方案映射成的电子设计 V 模型

与设计工具集进行紧密集成就意味着后期设计中由 EDA 和 MCAD 生成的详细几何模型可以在热分析软件中与前期构建的模型进行交换，从而为前期的概念设计和相关研究提供支持；然后，相关更新可随着 EDA 和MCAD 设计的逐步细化而进行无缝应用。我们现在将注意力转向将这些信息应用于热分析时都需要哪些条件。

从网格划分的时间成本来看，采用贴体 CFD 网格来捕捉这一细节级别并提供所需的全耦合热传递仿真支持，显然是不现实的。因此，原先用于电子散热应用的笛卡尔方法（因为之前建模的几何模型往往“四四方方”）现已被扩展用于准确捕捉非笛卡尔几何模型。传统 CFD 方法是对几何模型划分网格，然后生成网格单元，每个单元都作为一个控制体传输给 CFD 求解器，而我们则采用与此不同的方法，就是使用每个网格单元中几何模型的知识直接构建各种控制体，不必作进一步的网格划分。

多曲线散热器翅片 — 采用多控制体在粗八叉树网格上捕捉

8. 使用和重复使用已存在的数据

我们迄今已经讨论了构建和细化热模型的物理表现形式时所需要的东西，以及如何对其进行准备用于高效的热仿真，从而与设计中的变更保持同步。对热模型进行及时更新以反映主要设计流程中的最新变化，这对于及时做出设计决策、避免设计返工、加速产品投产进程来说至关重要。

除了几何模型之外，热仿真还需要各种其他信息，特别是（种类繁多）产品材料的热数据以及元器件的功耗信息。因此，功率数据可能需要从功率估算工具导入，格式通常为 CSV 文件，其中采用位号来表示热模型中的元器件，这些数值需要随着功率估算的变化而自动更新。在相关细节的最精细级别，详细的封装模型可能需要一整套芯片级功率映射来对不同场合的片上功率分布进行定义，其中每个芯片都包含多个不同热源，而这些热源又可以进行互换，作为瞬态仿真流程用于评估产品在不同状态下的热性能。这是一种按“使用案例”或实际功率状态（而非使用稳态的热设计功率）进行产品设计的趋势，让不同专业（电气设计与热设计）工程师之间的工作流程优化显得尤为重要。

电子散热模型之所以独特，是因为其存在多种需要实施的“边界条件”。除了几何模型以外，边界条件包括材料数据、热属性、表面特性（包括粗糙度）、网格要求以及（如果有风扇）性能数据和内置行为模型等。如果能够将所有这一切都存储于单个零件中，必将大幅减少构建模型所需的时间。

电子散热工具除了能够提供一种轻松为创新设计构建模型的方法外，还需要能够轻松处理设计中可以重复使用的元器件，例如底板。在现有底板上安装一个新电路板应该不难，这一流程现通过库功能获得了极大增强。

Mentor Graphics 提供用于 IC 与功率半导体设备的热特征提取硬件，可创建适合在任何热设计软件中使用的模型，支持对各种材料（粘合胶、膏剂、热学界面材料等）导热系数进行测量。其中一个功能就是生成精确度无与伦比的详细热模型，即按照实测结果对热模型进行相应调整直至完全匹配。在样机验证阶段，还可对这一功能进行扩展应用，确保热模型在电路板和系统级别的保真度。这些硬件解决方案可与Mentor 的热设计软件完美集成，提供经过全面验证的热模型在设计中使用和重复使用的范围。主动式功率循环设备可同时支持对封装和模块的可靠性研究，适用于汽车及航空航天等可靠性要求极高的应用领域。

采用 T3Ster 生成的结构函数对封装模型进行校准

9. 对不确定性因素的处理

在热设计过程中，与材料特性和功率相关的一个常见困难是这些因素在模型所用值的不确定性。这一不确定性还可延伸至产品设计中的几何尺寸，例如 PCB 中铜皮层的实际厚度、粘合剂及其他接口层厚度等。

热设计的一项重要任务就是确定模型中有哪些不确定因素对关键器件温度的影响最大。我们之前讨论过将参数研究、数值实验设计技术和优化等应用于确定性设计空间探索的大环境下，以降低产品成本，提高系统可靠性。同样的自动化方法也可用于确定热设计对于制造过程中可能出现的随机变化情况的应对能力。

对上述因素的评估完成后，我们就可以将精力集中于对设计中的相关问题进行改进，改进方式包括对设计进行相应更改和获取更准确的数据用于仿真研究。当前的行业发展前沿是使用测量值为仿真流程提供支持，此举已被证明能够将完成热设计所需的总时间减少 60%，将热设计所需的精力成本降低 60%，最后实现的模型保真度可将升温预测误差控制在 5% 以内。这种方法完全颠覆了以往在设计完成后使用物理样机来更正设计错误的传统做法，而是使用测量值来确保热模型所涉元器件的应用有效性，从而可将 90% 的时间、精力和成本用于虚拟样机验证，在热设计完成后几乎不需要进行物理样机验证。

Denso 公司的流程改进与效率提升 2009-2015

10. 压缩设计时间与裕量

Denso 公司的例子说明了企业如何通过提高其 CAE 活动的保真度来有效应对压缩设计裕量的压力。如果使用可与实际设计流程同步的热设计解决方案，就可以大幅减少设计时间。

与基于贴体网格的解决方案相比，这里从模型构建到结果分析的整个流程至少可以压缩 50%。这里很大程度上是去除了生成网格所需的 CAD 几何模型清理和简化步骤，去除了网格划分期间用于改进网格减少网格变形的时间（网格变形是贴体网格的固有特性，可以影响数据收敛和结果质量）。

流程压缩示意图 — 相较于贴体 CFD

然而，这仅仅是问题的一个方面。采用 FloTHERM XT，可对任何来自 MCAD 或 EDA 设计流程的模型进行相应更新，同时保留其原有设置用于处理其原始设计数据，只需数分钟，模型既可自动进行重新划分网格，用于后续流程。

对仿真结果进行报告，向项目利益相关方（包括项目业主、工程总监、产品营销及其他相关人员）分享信息，这是一项最基本、但又常耗时费力的工作。撰写长篇大论向决策者们阐述某项设计更改合理性的日子一去不复返了。使用优秀的工具可以压缩整个流程中的每个环节，包括报告生成。专业的工具会清楚知道哪一类结果可以影响决策（例如 Tc 和 Tj），然后不遗余力地报告这些结果。此外，可能还会向非专业人士指出改进设计

的方法。这些技术可以绘制图表向企业管理层证明，他们画在纸巾上的空气流动箭头在实际产品中并不是那么回事。

系统空气流动的想像图与实际图 — 反向气流已标出（图片由 Clemens Lasance, SomelikeitCool 提供

他们可能还提供响应面优化 (RSO) 功能，可帮助设计人员了解哪些变量会影响设计而哪些不会，并根据对这些变量的对比分析预测出最佳组合方案。RSO 还可以针对由 DoE 生成的实验结果数据，按不同的成本（或目标）函数对设计进行优化，从而大幅节省设计时间。

下一步发展趋势

其实，本文没有涉及的一个话题（无论作为挑战抑或是潜在方案）就是自动化，因为这是一个刚刚出现且正被业内一流企业逐步采用的发展趋势。

企业对自动化的需求源自于对提高设计流程可靠度的需求，他们需要消除人为误差及可变性的影响，因为任何两个专家级分析师也无法针对同一种物理状态构建出完全相同的模型来。与此相关的是，它承认专家组分析师是企业的稀缺资源，应该从繁琐的日常事务中解放出来，集中精力从事具有更高附加值的工作，例如更早地介入下一代设备的设计工作，而不是解决当前一代设计后期的问题，因为这样会不可避免地导致历史本身不同重复。自动化流程可让企业对其最佳实践进行一次性定义，然后通过自动化流程对其进行封装固化，即可以 100% 的可靠度进行全面应用。

机架式产品通常会提供多种不同配置，采用不同的电路板和板位组合，其底板可以在同一产线的不同代之间进行通用和升级。因此，最为方便的做法是将不同配置的仿真流程进行自动化处理，只需从可用选件列表中选择与卡槽对应的板卡，然后系统就会自动捕捉其中的关键结果，例如器件结温等。

结束语

电子产品的复杂性与日俱增，降低设计裕量就需要采用针对具体“使用案例”的瞬态仿真来提高设计精确性，摒弃以往采用假设保守的功率估算进行的稳态仿真。功率密度也随着各封装级别外形尺寸的缩小而与不断增加。

从降低成本的角度考虑，就需要用更少的时间提出更加准确的解决方案，允许必要的设计空间研究，从而让最终产品既具有成本竞争力，又确保性能可靠性。热设计仿真所用技术的选择、所选解决方案对企业现有工作流程的契合度以及企业员工的专业背景和实际技能，是提高企业工程生产率水平的关键所在。

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