论如何利用仿真技术轻松攻克电子产品热流体仿真难题

电子产品热仿真特点有哪些？

• 结构复杂，电子设备包含几十~上千个元器件

• 体积小，功率密度高、关注热敏感元器件

• 多种冷却方式，自然冷却、风扇冷却、液冷、热管等

• 多维度，芯片级，板级，系统级

单个电路板包含的元器件

航空电子设备的机箱

SimLab Electronics Thermal 

热分析专用工具

• 基于 FVM 算法的热流体求解器 ElectroFlo (技术源自 TES International 公司，已被 Altair 收购)

• 快速建模，无需几何清理，全自动六面体网格，让用户专注于产品热设计

• 热分析对象：机箱机柜、PCB 板、消费电子产品

• 可导入 MCAD（NX / Catia / Creo）和 EDA (ODB++ / Altium / Mentor / Zuken / Cadence) 数据

• 电-热耦合分析，半导体制冷，芯片热网格模型

• 风扇模型、水冷通道、湍流模型、热辐射

• 支持 DOE，热固耦合

SimLab Electronics Thermal 模块

Electronics Thermal 分析流程

Step1: 导入 CAD 和 ECAD 数据

Step2: 几何离散

Step3: 六面体网格

Step4: 求解/后处理

网格建模方法

Electronics Thermal 将导入的 CAD 模型先离散成网格化的几何(Geometry Discretization)，然后在此基础上加密六面体网格。对于关键部位可以用 Mesh Control 工具局部加密。

对于薄片的特征，采用 Key Planes 工具指定。Key Planes 的位置会随几何尺寸的变动自动更新。

PCB 板的建模

• PCB 通常含有太多细节，有些铜线只有几十微米，很难用网格捕捉。

• PCB trace mapping 工具可以根据含铜量自动简化、等效材料属性。

导入的原始 PCB 详细数据

根据每个网格的材料体积分数自动简化 PCB 模型

红色为金属材料，蓝色为非金属材料 

PCB 简化既可以针对 PCB 整体，也可以具体到每一层：

Layer Definition 工具可以预览/修改 PCB 层的信息，并选择性导入哪些层。

如果选择 Simplify PCB as a single body 选项, SimLab 自动将多层 PCB 转换为均匀的各向同性或各向异性材料。

PCB 简化工具不仅考虑了等效的热属性，也能考虑电属性和机械属性（用于强度分析，疲劳失效分析）：

PCB 正交各向异性热属性等效原理

PCB 材料机械性能定义

芯片热模型

• 导入 csv 文件，批量定义芯片的 2R 热模型

• 用户选择 PCB 板，SimLab 自动识别芯片和板的接触面

• 计算结果自动输出每个芯片的板温，壳温和节温

导入芯片 2R 热模型的 csv 数据

2R 芯片热模型

计算过程自动监测芯片温度

液冷模型 Liquid Cooling

模型可以包含空气冷却区域和液冷区域，且两种冷却介质的区域可以分别选择不同的湍流模型。

液冷区湍流模型

风冷区湍流模型

传感器 Sensor

• 用于记录元器件、或自定义监测位置的物理量，如温度，风速，电压等 

• Senor 的物理量也可以作为求解器收敛的判断准则，例如有些情况下数值残差收敛了，但是温度还在上升

Sensor 在计算过程中 Plot 曲线

可选择某个 sensor 值作为收敛依据

机箱的简化出风口模型 Vent

Vent 指定机箱通气格栅的开孔率和压力损失系数，从而避免对复杂的格栅直接建模。

出口格栅的空气流量和压力损失

温度控制器 Thermostat

根据温度反馈控制多个参数，包括：风扇的开/关；电流、电压；控制温度，辐射、对流参数，芯片发热功率等。

风扇模型 Fan

• 几种风扇参数输入模式：质量流量，体积流量，转速/直径, P-Q 曲线

• 考虑风扇电机自身发热

• 考虑风速的旋转分量

• 考虑风扇失效模型（类似阻力单元）

• Thermostat 反馈控制，监测温度达上限打开风扇，温度达下限关闭

计算过程中 Plot 风量和风压曲线

半导体制冷模型 TEC

基于半导体制冷 Peltier 效应，当电流流经电路时，除了产生焦耳热外，在两种不同材料的接触点处会发生热量转移，导致一个接头处吸热而另一个放热。

半导体制冷模型 TEC

半导体制冷原理图

交互式设计变动

用户可交互式操作模型对象，例如将热敏感元器件稍微远离热源，快速完成设计变动分析。

机箱的空气流速

机箱的固体温度

交互式快速设计变动 操作演示

可以看到本案例的元器件位置变动后，原先超出温度上限的问题得以解决。

原设计

调整位置后

批量设计变动 DOE

DOE 参数化研究散热片的 2 个参数（翅片个数 N 和高度 H）对 CPU 和变压器温度的影响。

案例 1：航空电子机箱风冷仿真

• 机箱包含 3 块 PCB 板+300 个部件，PCB 采用简化模型

• 2 千 6 百万六面体网格，稳态工况 12CPU 核计算 5~6 小时

机箱表面的正背面均安装了散热片

机箱表面温度

PCB 板的温度

自动输出芯片的温度列表

瞬态工况的监测点温度曲线

案例 2：PCB 板自然冷却

• PCB 有 2 层 0.03mm 厚的铜层，分析对比了铜层对温度的影响。

• Non-CFD 分析模式，忽略外部空气区，仅计算导热，单 CPU 计算时间 10 分钟。

  
  

考虑铜层的 PCB 热模型，正背面的温度

对比两种模型的温度，考虑铜层的模型具有更好的散热效果，最高温度明显低于忽略铜层的模型。

忽略铜层的 PCB 温度

考虑铜层的 PCB 温度

案例 3：电动汽车逆变器温度场分析

• 逆变器模型的发热元件包含二极管，开关，电容，芯片和汇流排。

• 汇流排发热采用热电耦合，水冷板采用 Liquid Cooling。

逆变器的模型

逆变器的表面温度

Pin Fin 表面温度

案例 4：PCB 板的热固耦合分析

• 首先进行 PCB 板瞬态温度场分析，接着用 mapping tool 将温度场数据传递给结构求解器 OptiStruct 进行翘曲分析。

• 两种分析类型采用同一 ECAD 数据，用户可在 SimLab 左侧的模型树切换不同的求解器。

案例 5：电热耦合分析

分析 Busbar 的焦耳自发热现象。用户输入材料的电阻率，电流和电压，SimLab 自动耦合求解温度场和电场方程。

案例 6：半导体制冷模型

TEC 部件位于散热片和发热芯片之间，导入 TEC 的电参数*csv 文件，分析机箱的温度场。

关于 Altair 澳汰尔

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