電子散熱，即熱設計，是一門小眾學科。二十年前，它是由熱專家團隊（通常是具有很強的熱傳遞技術背景的機械工程師）集中開展的一項活動。當時，電子產品的機械部分，無論其中包括的是何種散熱解決方案，都是與電子設備分開設計的。當時的開發節奏要慢得多，人們更加著眼於在完成設計後通過物理樣機研究來糾正問題。如今，根據公司和行業領域，基本的熱設計任務可由個體工程師在產品創建過程中完成。
由於時間、成本和資源等方面的約束，「包辦一切」的工程師變得越來越常見。與其同行專家相比，這些「包辦一切」的設計人員和工程師需要更簡單和更快捷的熱設計工具。
圖 1：PADS FloTHERM XT 的用戶界面可提供完整的 MCAD 支持。
一些組織認為熱設計是產品機械設計的一部分。這種觀點在汽車等傳統行業中極為常見，從而導致產品在電子方面在很長的一段時間內增長速度一直很緩慢，這一現象直到近些年為止才有所改變。在這種情況下，受命開展熱設計的人員可能是汽車、機械或生產工程師，他們在組織的 PLM 環境內使用 Dassault Systèmes® CATIA® V5、SolidWorks®、PTC Creo® 或 Siemens® NX等高端 MCAD 工具集開展工作。最適合他們的莫過於能夠直接完全嵌入到他們所熟悉的 MCAD 系統的熱設計解決方案。Mentor 的三維計算流體動力學(CFD)分析解決方案 FloEFD™ 內置於上文列出的所有 MCAD 系統中，並與 Autodesk® Inventor® 和 Siemens SolidEdge® 緊密集成，受到了電子散熱和 LED 照明應用模塊的廣泛支持。
另一方面，一些組織將熱設計視為 PCB 設計流程的一部分。例如，當產品必須裝入標準機架時，受命開展熱設計的往往是採用 PADS® 和 HyperLynx® 等PCB 設計工具的電子工程師。
圖 2：在 HyperLynx Thermal 中進行板級熱建模。
圖 3：在 PADS FloTHERM XT 中進行系統級熱建模。
設法開展系統級熱分析的工程師可能是各種同時具備機械和電氣背景的人員，他們一般不熟悉 MCAD 驅動的系統。對他們而言，能夠與其 PCB 設計流程無縫集成的解決方案才是最佳選擇。PADS FloTHERM® XT 旨在為此類工程師和環境提供基於 CFD 的電子散熱軟體。
我們已經了解了工程師和設計環境對於熱設計的實施可能產生的影響。所開發的產品類型及其產量對此也有一定的影響。
在一些使用計算流體動力學 (CFD) 來研究產品性能的傳統行業（例如航空航天、核能和汽車等）中，設計周期相對較長，而且安全性和穩定性的優先級高於成本和性能。受這些驅動因素的影響，這些行業中的熱電子設計側重於通過將元器件溫度降至一定的安全裕量以下來延長產品壽命。設計人員需要投入大量工作在冷卻系統中建立冗餘。這樣的話，即使某個風扇出現故障，系統仍能正常工作且符合規範要求，另外還能在系統正常運行的同時更換故障風扇。
然而，在高量產的消費類電子產品領域，成本和性能才是關鍵因素。從概念設計到投產，設計時間被壓縮到僅僅只有幾個月的時間。最大限度地降低產品成本是設計活動的一個關鍵部分。這就需要充分研究設計空間，確保選擇成本效益最高的散熱解決方案。需要考慮的因素包括封裝選擇、PCB Layout、電路板結構以及外殼設計（包括風扇尺寸、位置和通風口位置）的影響。這種情況下亟需對設計空間進行快速分析，因而催生了眾多解決方案，利用不同的 CFD 技術更快地提供初步結果以及大幅縮短後續設計迭代的周轉時間。
電子產品的小型化導致產品的幾何形狀越來越凌亂和複雜，產品在電子與機械方面的集成也日益緊密，這在智慧型手機和平板電腦等移動應用中最為典型。
產品小型化的結果之一是流動空間減小，而這往往限制了對流散熱的範圍。伴隨著湍流強度受制於槽壁生成的剪切力（控制湍流的生成和衰減），這些狹小的空間會導致流動發生層流化。這實際上降低了捕獲湍流影響的數值需求。隨著時間的推移，空氣內的溫升對於環境以上 IC 封裝內的結點溫升的貢獻逐步減小。
相反，小型化對於幾何精度、材料和表面特性捕獲、表面間輻射以及某些應用中的太陽能輻射的要求越來越高。在後期設計中，必須將電源和接地平面以及直流走線內不斷提高的電流密度作為電路板內的熱源加以考慮。所有這些變化都對熱模型與基於機械 CAD 和 EDA 的工具集的集成以及它們所描述的幾何形狀提出了更高的要求。更小的特徵尺寸和晶片封裝尺寸（在規模上與電路板上的信號和電源輸送銅特徵相似）要求將其表示為相似的較高詳細級別。
機械和電氣設計學科的結合同樣受產品小型化的驅動，它要求將一個設計流程中做出的更改反向標註到另一個流程中。PCB 設計採用的傳統二維方法經過大幅增強，可在 PADS 配置內提供三維視圖、庫和 DRC模塊。
利用 PADS FloTHERM XT 及其內置的 MCAD 內核，可以從之前提及的所有主流 CAD 平臺導入原始 CAD 幾何形狀。在 PADS FloTHERM XT 內修改過的元件可導出為相同的原始 CAD 格式，以便將其重新導入回 MCAD環境，確保保留元件的歷史記錄數據。您可以編輯電路板外形，轉換元器件，以任意角度旋轉元器件或調整其大小。此外還支持 IDF 導入。
與 EDA 和 MCAD 系統的強大集成現在已成為在設計工作流程中高效地開展熱設計的前提條件，但僅僅依靠其自身功能還遠遠不夠。
圖 4：Microsoft Surface Pro的熱視圖（圖片由 Electronic Cooling Solutions Inc.，www.ecooling.com 提供）
小型化還會影響散熱技術的選擇。幾年前，由於筆記本電腦內的空間有限，離心式風扇取代了臺式機中使用的傳統軸流式風扇。此外，還採用熱管將熱量從居於中央位置的 CPU 傳遞到離心式風扇下遊熱管的鰭片部分，並由離心式風扇直接排放到周邊環境。散熱器和導熱墊也在一些空間有限的設備中使用，合成射流也是如此，尤其在 LED 照明應用中。
創新的散熱器和風扇組件設計層出不窮，液冷的應用日益增多。PADS FloTHERM XT 可輕鬆處理這些散熱解決方案，因而在採用具有複雜幾何形狀的散熱解決方案的電子系統中，成為首選的設計工具。風扇、散熱器、熱管等散熱解決方案通常是現成的元器件，既不是 EDA 設計工具附帶的，也不是在公司的 MCAD系統中設計的，但要進行精確的熱分析必須包含這類元器件。
電子系統的獨有特徵之一是其包含廣泛的長度規模範圍，涵蓋了從晶片表面的納米級到數據中心機架的米級尺度。這對 CAE 工具，尤其是採用貼體網格的 CAE 工具構成了巨大的挑戰。
將所有元素直接包含在模型中的做法既不現實，也不可取。形成這一挑戰的部分原因在於，在仿真對提高設計質量貢獻最大的環節，大量信息還是未知的。例如，在設計後期確定元器件布局之後才對 PCB 進行布線，然而，不合格的元器件布局可能給熱性能帶來災難性的影響。
一種常見的做法是將簡化的行為模型用於晶片封裝、PCB、風扇、散熱器等元器件中。PADS FloTHERM XT 使用 SmartParts™ 來加快這些元器件以及其他常見元器件的建模速度，並隨著設計細節的出現不斷優化模型。
利用直觀的 SmartParts，您可以在幾分鐘內構建簡單的概念模型，與直接取自MCAD 的機械元件配合，輕鬆地創建自己的 CAD 幾何形狀，以及使用詳細的電子組件。SmartParts 還能加快設計空間的探索，尤其是在早期設計階段。
在設計後期，通常需要包含產品多個方面的大量幾何細節，以獲得高保真的仿真結果；例如，詳細的PCB 走線層、PCB 堆棧內的電源和接地平面、熱關鍵性元器件的詳細模型，以及所用的任何散熱器的詳細模型等。
與設計工具集的緊密集成意味著可以將後期設計中由 EDA 和 MCAD 生成的詳細幾何形狀與較早時在熱分析軟體內構建的幾何形狀進行交換，從而支持概念研究和早期設計研究。在優化EDA和MCAD設計的過程中可以無縫地應用更新。
通過生成網格來分析此類細節的熱傳遞是一個非常耗時的過程。為提高此過程的效率，每個幾何形狀將作為一個控制體傳遞給 CFD 求解器，並使用網格內的幾何形狀知識來直接構建控制體，而無需進一步劃分網格。利用這種獨特的方法，PADS FloTHERM XT 可以在單獨的網格中使用實體對實體和／或實體對流體邊界捕獲多個固體幾何形狀片段，從而捕獲複合結構和多個流動通道（例如散熱器鰭片之間的流動通道）。
圖 5：使用八叉樹粗網格上的多個控制體捕獲多個彎曲的散熱器鰭片。
確保熱模型保持最新狀態並更新設計流程中的更改，對於做出及時的決策、避免設計返工和縮短上市時間而言至關重要。
除幾何形狀之外，熱仿真還需要其他信息，例如關於產品所用材料（可能使用多種材料）的熱數據，以及元器件的功耗等。因此，必須從功率估算工具導入功率數據；此過程通常採用 CSV 文件形式，並使用元件位號來標識熱模型中的元器件。當功率估算發生變化時，需要自動更新這些數字。
在最精細的細節級別，詳細封裝模型可能要求一組晶片級功率映射，以定義不同應用中的晶片上的功率分布。其中每個模型都包含多個可交換的單獨熱源，用以評估產品在瞬態仿真中包含的這些不同狀態下的熱性能。這種根據「使用案例」或實際功耗狀態，而不是使用穩態熱設計功率來開展設計的趨勢，使得電氣工程師與熱工程師之間的工作流程優化變得更加重要。
基於需要實施的「邊界條件」的數量，電子散熱模型都是獨一無二的。除幾何形狀以外，邊界條件還包括材料數據、熱屬性、表面屬性（包括粗糙度）、網格要求以及（以使用風扇的情況為例）性能數據和內置的行為模型。由於能夠在單個元件中存儲所有信息，因此極大地縮短了構建模型所需的時間。
除了提供方法輕鬆開發新的創新設計模型之外，電子散熱工具還需要處理設計中重複使用的元件，例如底板。新電路板應該能夠輕鬆地插入現有底板。藉助高效的庫可以大幅增強此過程。
PADS FloTHERM XT 支持使用元件以及內置的拖放功能，將所有相關數據存儲在一起；其中，拖放功能可支持導入和導出整個模型、組件和單獨的元件，包括其相關的材料屬性及其他數據。
熱設計中已知的一項與材料屬性和功耗相關的挑戰是，關於模型中所用值的不確定性。這可以延伸到設計的幾何方面，例如 PCB 中的銅皮層、膠接層和其他界面層的實際厚度等。
熱設計的一個重要方面是確定模型中存在哪些對關鍵元器件溫度影響最大的不確定性。我們之前討論過使用數值實驗設計技術，以及在進行設計空間的確定性探索的情況下執行設計優化，以降低成本和增強可靠性。可採取相同的自動方法來確定熱設計在面對製造期間可能出現的隨機變化時的穩定性。
完成上述評估後，即可指導設計人員將精力放在通過設計更改以及獲取更精確的仿真數據來實現這些方面的設計改進上。當前最先進的方法是使用測量值作為仿真過程的基礎。這樣，客戶可以大幅減少完成熱設計所需的時間，降低熱設計工作的成本，以及實現能夠預測高於環境的溫升的模型保真度。這完全顛覆了在完成設計後使用物理樣機研究來糾正設計錯誤的傳統做法。
與基於貼體網格的解決方案相比，可以將模型構建到結果分析的總體過程至少壓縮 50% 以上。其中最大的壓縮部分是，無需清理或簡化 CAD 幾何形狀就能生成網格，以及在網格劃分期間無需花費時間來減少貼體網格固有的可影響收斂和結果質量的網格變形。然而，好處還遠遠不止這些。利用 PADS FloTHERM XT，可以從 MCAD 或 EDA 設計流程來更新模型，從而保留之前用於處理原始設計數據的設置，而且模型在幾分鐘內就能自動完成重新劃分網格，做好求解準備。
來源：Mentor PCB及IC封裝設計
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