Ansys Icepak电子器件关键热仿真流程及案例

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前言

电子器件运作产生的故障、效能优劣与其工作温度有着密不可分的关系，特别是今日电子产品功率更高，且精致及微小化，造成设计思路的难度与日俱增。通过莎益博统计的客户经验，温度产生的议题如下:

1. 大量使用的半导体器件和微电路,故障率随温度的增加而指数地上升

2. 许多电子器件的性能表现与温升速度直接相关，温度升高，效能直接下降

   
   

通过计算机来解流动、传热等方程可获得流场与温度数据等信息，实现了成本低、速度周期快，且模拟结果与实验设计可以非常地吻合；今许多产品皆已导入仿真工具做为开发的手段之一。

莎益博利用Ansys Icepak协助工业客户处理了各式各样的散热设计问题，尺度范畴小如芯片，到PCB组件、电子器件模块，大如整机系统、服务器机房/机柜等，都是Ansys Icepak可以计算的范围。

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常规所遇的热仿真设计重点

1. 几何模型处理及导入(Ansys Spaceclaim)

2. 热及流理论计算

   －导热 (传导热，包含通过PCB组件及Trace的能量)

   －对流 (自然对流/强制对流，包含风扇处理)

   －辐射 (吸收/散射/放射/反射/穿透，包含太阳辐射效应)

3. 散热常用模块

   －热管

   －风扇

   －散热器

Ansys Icepak方案可将上述因素全部纳入仿真的范围中。

特别是越来越多问题涉及到必须考虑电路图Trace的影响，藉由真实电路图可计算精确地覆铜率、导热率及导电系数。导入的Trace模型包含过孔信息，可让散热通道的仿真更细致，结果更为精确。

ECAD的Trace走线/层数/厚度及过孔信息

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网格铺设技术

对所有仿真技术人员来说，铺设网格是一较大难点。Ansys Icepak具备非常完善的网格系统，可以实现真实模型贴体网格，如优先级技巧、多重组件(Embedded Assembly)及多级化网格等；建议使用者接受一次常规且完整的培训，莎益博每年会定期开设相关课程，用以提升使用者的水平及工作效率，可直接进行咨询。

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热仿真设计案例

本文以一台一体机(All-in-one)进行流程说明。此一体机的ID设计、机构Placement、散热方案及材料选择等，皆通过仿真给予一可靠的数据来进行。

散热方案中包含一风扇，利用供货商提供的风扇性能曲线(P-Q curve)，在Ansys Icepak做相应特性设置。

风扇性能(P-Q curve)及模型图纸

从发热组件的功率规范书中，可设置相应发热状态，一般供货商数据中可获得2R发热模型；我们在Ansys Icepak中相应去设置Network发热量及热阻即可。

散热方案中成本最高的热管模型可直接导入仿真计算中，选用正确材料属性即可。部分器件有过热的风险，我们协助提供需要进行热导垫(Thermal Pad)的位置，此时，机构工程师需要协助在机构件上面改上Punch做散热桥接之用；采用的设计参数将根据仿真结果作选用。

考虑电路图。本模型电路图除了做铜走线热传导及发热之外，因设计的需求，部分区域会刻意打上铜线，提高周围器件的散热效果。

电路Trace图

由于ID不得更改，为了让成本最低，效果最好，需要最高校的利用风流做散热，因此通过仿真数据对比，将部分ID孔制作成盲孔，按照设计思路引导冷风流经热区最有效散热，如下：

风路及ID开孔设置

仿真所获的结果

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总结

仿真获得的结果可快速提供设计思路，通过大量的思考，包含成本及散热的可行性，也包含准确性的对比，可以设计出一款最优化的产品。

文章来源：莎益博CAE仿真