一、熱設(shè)計(jì)
熱設(shè)計(jì)是隨著通訊和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一個(gè)較新的行業(yè)，且越來越被重視。隨著通訊和信息產(chǎn)品性能的不斷提升和人們對于通訊和信息設(shè)備便攜化和微型化要求的不斷提升，信息設(shè)備的功耗不斷上升，而體積趨于減小，高熱流密度散熱需求越來越迫切 。
熱設(shè)計(jì)便是采用適當(dāng)可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性，長期運(yùn)行的可靠性 。此外，低溫環(huán)境下控制加熱量而使設(shè)備啟動也是熱可靠性的重要內(nèi)容。
目前，熱設(shè)計(jì)在電動汽車動力系統(tǒng)熱管理和熱仿真、高科技、醫(yī)療設(shè)備、軍工精密裝備等行業(yè)中越來越被重視，成為產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的重要領(lǐng)域。
二、熱分析軟件介紹
FLOTHERM是一套由電子系統(tǒng)散熱仿真軟件先驅(qū)----英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子電路設(shè)計(jì)工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，全球排名第一且市場占有率高達(dá)80%以上。
三、電子行業(yè)熱分析
電子行業(yè)是有限元分析應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著全球電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)愈來愈精細(xì)、復(fù)雜，市場競爭要求電子產(chǎn)品在性能指標(biāo)大幅度提高的同時(shí)，還要日趨小型化。電子產(chǎn)品跌落、新型電子材料的研發(fā)和制造、音頻設(shè)備聲場特性的設(shè)計(jì)和評估、電子產(chǎn)品的熱力仿真、芯片封裝的熱分析等的力學(xué)仿真是電子領(lǐng)域中很深入、復(fù)雜并極具挑戰(zhàn)性的課題，需要多門學(xué)科的理論和方法的綜合應(yīng)用。
電子產(chǎn)品熱分析：
眾所周知，電子元件在運(yùn)作的時(shí)候，無法達(dá)到100%的效率，所流失的能量絕大部分都轉(zhuǎn)換成為熱量發(fā)散，但是對于電子元件來說，溫度每上升10℃，其壽命就減少到原來的一半甚至更短，這就是其隨溫度而變的特性。所以進(jìn)行電腦等各種設(shè)備的熱仿真有助于提高器件的使用壽命。
1.顯卡的散熱器仿真
顯卡熱管散熱器，通過添加熱管能有效的降低熱源到散熱器的熱阻，進(jìn)而顯著提高顯卡散熱性能。
2. LED封裝仿真以及散熱片散熱性能
詳細(xì)的LED封裝模型，通過仿真驗(yàn)證和考察電路板及散熱片的散熱性能。
3. 芯片封裝熱分析
根據(jù)具體的封裝結(jié)構(gòu)，建立詳細(xì)分析模型，計(jì)算芯片正常工作或瞬態(tài)變化（比如啟動）時(shí)的熱特性和溫度分布情況。芯片級熱分析。
4. GBT模塊散熱優(yōu)化
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件。在電力電子等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。但其對工作環(huán)境要求苛刻，需要穩(wěn)定可靠的散熱環(huán)境。通過熱仿真對IGBT進(jìn)行系統(tǒng)級別分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)并且優(yōu)化散熱和布局方式。
5. 散熱器優(yōu)化
針對熱源功耗，充分考慮產(chǎn)品重量，成本等因素，合理選擇和設(shè)計(jì)散熱器；并且通過熱仿真計(jì)算，確定散熱器的熱阻特性。
6. 電器柜分析
通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，優(yōu)化散熱路徑，增加熱管散器等方式，有效的降低了柜內(nèi)電氣設(shè)備的工作溫度。同時(shí)根據(jù)計(jì)算確定正常工作時(shí)電器柜內(nèi)的熱環(huán)境以及各個(gè)模塊的溫度值，優(yōu)化柜子散熱性能以及模塊的布局。
7. 半導(dǎo)體元器件熱仿真
在微電子結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部的熱量的積聚會是元器件破壞，Bombardier Transportation Company公司的工程師利用Abaqus編寫的子程序模擬半導(dǎo)體功率元器件的溫度變化以及熱量流動。
8. 機(jī)箱散熱性能分析
如果一款機(jī)箱不能夠起到良好的散熱效果，那么對這些硬件就會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。隨著電腦配件中幾大件發(fā)熱源功率的不斷增加，INTEL公司為了保證自己生產(chǎn)的CPU的溫度能被控制在一個(gè)穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，針對機(jī)箱提出了機(jī)箱散熱規(guī)范CAG（Chassis Air Guide），該規(guī)范是一個(gè)機(jī)箱內(nèi)各部件的冷卻散熱解決方案，只有通過了結(jié)構(gòu)、EMI、噪音、散熱等所有一系列測試，一款機(jī)箱才能夠被認(rèn)定為是符合規(guī)范的產(chǎn)品。正是由于INTEL規(guī)范的提出，非常多的廠商針對機(jī)箱散熱做出了改善， 以下是采用Abaqus進(jìn)行機(jī)箱散熱分析，從而優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)。
可以清楚的看到，未調(diào)整之前機(jī)箱中上部特別是CPU附近的溫度相當(dāng)高，調(diào)整之后可以看到溫度有明顯的降低。
9. 電子封裝中熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力問題
由不同材料組成的封裝組件在溫度變化的環(huán)境下會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致封裝失效。Abaqus具有強(qiáng)大的熱固耦合分析功能，包括：穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析，強(qiáng)制對流和輻射分析，熱界面接觸，熱電耦合等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型，來模擬金屬、聚合物、復(fù)合材料等電子材料的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。
Abaqus包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元，83種隱式和顯式完全熱固耦合單元，覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實(shí)體各種單元類型，包括一階和二階單元，為用戶建模提供極大的方便。而其他通用有限元軟件對應(yīng)的熱分析單元數(shù)量都比Abaqus少，如ANSYS中純熱傳導(dǎo)和熱耦合單元總計(jì)為40種，MARC中純熱傳導(dǎo)單元為40種，無完全熱固耦合單元。右圖是臺灣新竹清華大學(xué)采用Abaqus分析BGA焊點(diǎn)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的模型圖。
典型應(yīng)用：塑料、陶瓷、金屬封裝等各種封裝組件在溫度載荷下的變形和受力、IC芯片和基板之間的導(dǎo)熱、封裝材料界面間的熱傳導(dǎo)、板上元件的強(qiáng)制對流散熱、散熱片通過空氣的輻射散熱等。
下圖為采用Abaqus分析得到的某電路板的溫度場分布云圖。
10. 熱疲勞問題
Fe-Safe提供了金屬和非金屬材料疲勞壽命預(yù)估功能。它依托于Abaqus的求解器模塊，將Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的應(yīng)力分析結(jié)果根據(jù)載荷出現(xiàn)的幾率進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析，得到疲勞壽命的預(yù)估值，并可以用Abaqus/CAE的圖形界面進(jìn)行處理，得到用戶關(guān)心的參數(shù)，有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)。Fe-Safe和Abaqus的分別是疲勞壽命計(jì)算及結(jié)構(gòu)位移／位移分析方面的最優(yōu)秀分析軟件，兩者的有機(jī)結(jié)合可以對機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)和分析提供最佳的解決方案。
由于受熱導(dǎo)致的應(yīng)力和應(yīng)變在溫度循環(huán)下會造成封裝材料疲勞失效，如倒裝焊中的焊點(diǎn)和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。Abaqus/Standard中的直接載荷循環(huán)分析功能提供了預(yù)測承受熱載荷的彈塑性結(jié)構(gòu)的低周熱疲勞壽命。更復(fù)雜的疲勞問題可以通過Abaqus/Safe模塊來實(shí)現(xiàn)。右圖是NEC公司和紐約州立大學(xué)Buffalo分校電子封裝中心合作采用Abaqus進(jìn)行表面貼裝中共晶焊點(diǎn)熱疲勞失效分析的結(jié)果。
下圖為芯片焊點(diǎn)疲勞失效分析。
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