icepak軟件三唯熱分析及應(yīng)用

1、本文闡述了當(dāng)前電子行業(yè)熱分析的形勢(shì)，介紹了 Icepak 軟件的應(yīng)用范圍及技術(shù)特點(diǎn)，以機(jī)箱為例介紹 Icepak 軟件在電子系統(tǒng)的應(yīng)用。： 熱分析 Icepak 軟件 機(jī)箱前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的尺寸正迅速縮小 ,而功率卻一直在增大。使得體積容納的熱量越來越多，特別是在惡劣環(huán)境下的電子產(chǎn)品要求必須是全封閉的，降噪條件下的電子產(chǎn)品要求拆去風(fēng)扇，使得電子產(chǎn)品的散熱環(huán)境更差，為了達(dá)到容許的溫度，設(shè)計(jì)要提高散熱效率、改善換熱環(huán)境。因此電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中占有越來越重要的地位，在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難適應(yīng)需要，為了保證設(shè)備正常工作，就

2、必須要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的熱設(shè)計(jì)。如今電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了面向并行工程的 CADCAECAM 時(shí)代，設(shè)計(jì)及評(píng)估都著掌握熱仿真技術(shù)的極大。熱仿真能夠在樣品和產(chǎn)品開始之前確定和消除熱問題，借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，縮短高性能電子設(shè)備的研制周期。熱能夠比較到各元器件真實(shí)的模擬系統(tǒng)的熱狀況，應(yīng)用熱，在設(shè)計(jì)過程中就能的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計(jì)的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可以對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)

3、備的可靠性。下面介紹一種在熱分析領(lǐng)域較優(yōu)秀的軟件 Icepak 軟件，它是由Fluent公司開發(fā)的專業(yè)的熱。Icepak 軟件Icepak 軟件是面向熱產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析工程師的軟件，采用熱設(shè)計(jì)分析所的機(jī)柜、風(fēng)扇、印刷電路板、阻尼、通風(fēng)口等模型。建模過程快捷、網(wǎng)格生成與計(jì)算都是自動(dòng)進(jìn)行的。整個(gè)軟件采用的集成化的環(huán)境界面。使用者能在較短的時(shí)間內(nèi)將該軟件應(yīng)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)分析中。另外，該軟件也不要求使用者有較深的流體力學(xué)知識(shí)背景。應(yīng)用范圍Icepak 作為專業(yè)的熱，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的各個(gè)階段，Icepak 都可以幫助客戶優(yōu)化設(shè)計(jì)。以解決各種不同類型問題：系統(tǒng)級(jí) (Systems) 對(duì)電子設(shè)備機(jī)箱、機(jī)柜及

4、方艙等系統(tǒng)級(jí)問題的熱分析。利用 Icepak 可以模擬氣流在機(jī)柜中的，通過調(diào)扇和通風(fēng)口的不同尺寸大小、形狀及其它選項(xiàng)，進(jìn)行數(shù)值模擬，從而以最小的代價(jià)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。組件級(jí) (Components) 用于電子模塊，散熱器，PCB 板級(jí)別的熱分析。通過有效地模擬一個(gè)或多個(gè)散熱片或由數(shù)目巨大的散熱片組成的散熱器，可以得到對(duì)象的溫度分布、流場(chǎng)分析及傳熱情況。用戶可以根據(jù)自己的需要用Icepak 建立特殊要求的散熱器模型。封裝級(jí) (Packages) 用于對(duì)元器件級(jí)別的熱分析。通過詳細(xì)模擬元器件及相鄰元器件間的傳熱介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，并為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。技術(shù)特點(diǎn)：建?？焖費(fèi)CAD 輸入P

5、ro/E 的直接接口，IGES，DXFECAD/IDF 輸入IDF（如，Mentraphics, Cadence）的直接輸入現(xiàn)成的模型庫箱體、塊、風(fēng)扇、PCB 板、通風(fēng)口、開口、空調(diào)、板、壁面、管道、源、阻尼器、散熱片、離心風(fēng)機(jī)、等，用戶可以直接從 Icepak 的菜單調(diào)用現(xiàn)成的模型幅射、各種封裝件模型各種形狀的幾何模型六面體、棱柱、圓柱、同心圓柱、橢圓柱、橢球體，斜板、多邊形板、方形或圓形板， Icepak 可以構(gòu)造各種形狀的幾何模型Icepak 依靠鼠標(biāo)來選取、定位以及改變預(yù)定義對(duì)象的大小、因而使模型的建立快捷方便，可以表達(dá)復(fù)雜幾何而無須近似簡(jiǎn)化。同時(shí) Icepak還以很快的速度不斷提供新

6、的模型庫，如各類風(fēng)機(jī)、無限定的多層 PCB 板、各類散熱器等等。自動(dòng)網(wǎng)格生成Icepak 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)。支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。網(wǎng)格參數(shù)完全由用戶自行控制，如果需要對(duì)某個(gè)特征實(shí)體加密網(wǎng)格，加密網(wǎng)格不會(huì)影響到其它對(duì)象。廣泛的模型能力Icepak 擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括模型和傳熱模型。這些模型具有足夠的精度和可靠性。傳熱模型包括強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流和混合對(duì)流模型、固體中的熱傳導(dǎo)模型、流體與固體之間的耦合傳熱模型、表面與表面間的熱輻射模型。另外，用戶還可以模擬層流、湍流，穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)。解算功能求解器采用Fluent5CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）求解器有

7、限體積方法 (Finite Volume Method), 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器并行算法，能夠?qū)崿F(xiàn) UNIX 或 NT 的網(wǎng)絡(luò)并行可視化后置處理面象的、完全集成的后置處理環(huán)境可視化速度矢量圖、等值面圖、粒子軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點(diǎn)示蹤圖式可以通過以下格式輸出：tscripts, PPM, TIFF, GIF, JPEG 和 RGB 格動(dòng)畫可以存成 MPEG 格式的多文件實(shí)例電子設(shè)備中，機(jī)箱是比較典型的結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，機(jī)箱內(nèi)部一般布滿了電子元器件，對(duì)散熱的要求較高。借助于 Icepak 軟件，可以清楚的計(jì)算出機(jī)箱內(nèi)部的熱分布情況，從而可以正確的排列器件的分布，正確配置散熱風(fēng)機(jī)。

8、下面以某電子系統(tǒng)的收發(fā)信機(jī)箱為例簡(jiǎn)要談一下 Icepak 在熱分析中的應(yīng)用。應(yīng)用 Icepak 軟件，首先要對(duì)機(jī)箱進(jìn)行簡(jiǎn)化，將實(shí)體轉(zhuǎn)化為 Icepak 認(rèn)可的模型。對(duì)于熱分析有較大影響的散熱器、高發(fā)熱量的器件要建立詳細(xì)的模型，而對(duì)熱分析沒有影響較小的細(xì)節(jié)方面可以簡(jiǎn)化模型，這樣不但可以提高求解的速度，并且還能把主要精力放在問題的求解上。圖 1-1 所示的系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的原始方案，其率放大器的熱功耗為 94W，DC/DC模塊的熱功耗為 20W，與中心發(fā)射機(jī)的熱功耗均為 5W，機(jī)箱除氣孔及風(fēng)扇開口外密封，并且要求在環(huán)境溫度為 60時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的溫度不得超過 80。本系統(tǒng)中機(jī)箱內(nèi)部器件的發(fā)熱量高，空氣的不暢

9、，必須靠風(fēng)扇來強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于對(duì)溫度的要求苛刻，為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須保證溫度在允許的范圍內(nèi)。應(yīng)用 Icepak 軟件，可以在設(shè)計(jì)階段分析機(jī)箱內(nèi)部的熱分布情況，從而省掉樣機(jī)的生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。圖 1-1應(yīng)用 Icepak 軟件初步運(yùn)算表明，機(jī)箱內(nèi)的局部溫度達(dá)到 100以上，必須更改設(shè)計(jì)，機(jī)箱內(nèi)各器件的尺寸已經(jīng)固定，只能靠改變它的位置及增加風(fēng)扇來降低機(jī)箱內(nèi)的溫度。首先在功率放大器的后端增加了一個(gè)風(fēng)扇，如圖 1-2 所示。模擬運(yùn)算的結(jié)果表明，溫度仍然高于 80。曾經(jīng)嘗試改變 DC/DC 模塊和功率放大器的相對(duì)位置，但是對(duì)散熱效果影響不大。圖 1-2根據(jù)機(jī)箱內(nèi)的溫度分布和氣流分析，可以知道,兩個(gè)

10、風(fēng)扇吹出的風(fēng)沒有完全集中到兩個(gè)最大的發(fā)熱元件上，為此，想出一個(gè)辦法，在 DC/DC 模塊和功率放大器外側(cè)加上擋板，如圖 1-3 所示，這樣兩個(gè)風(fēng)扇之間形成一個(gè)較為集中的風(fēng)道，有利于機(jī)箱內(nèi)部器件的散熱，圖 1-4 是 Icepak 軟件計(jì)算的機(jī)箱內(nèi)部空氣的模擬示意圖。從圖中可以看出，大部分的空氣經(jīng)由散熱片流出，使兩個(gè)發(fā)熱量最大的器件的溫度降到允許的范圍內(nèi)。圖 1-3圖 1-4圖 1-5 是機(jī)箱內(nèi)部切面的氣流運(yùn)動(dòng)矢量圖。通過矢量圖，可以清楚的知道，空氣在空間是怎樣運(yùn)動(dòng)的，從而對(duì)器件的分布有指導(dǎo)意義。圖 1-5圖 1-6 是由 Icepak 軟件分析的機(jī)箱內(nèi)部的器件發(fā)熱狀況。根據(jù)實(shí)際的工況用Icepak 軟件模擬出實(shí)際的發(fā)熱狀況。圖1-6后記電子設(shè)備工作時(shí)，各主要元器件的溫度分布情況是設(shè)計(jì)工程師非常關(guān)心的事情，應(yīng)用 Icepak 軟件,在設(shè)計(jì)過程中就能到各元器件的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計(jì)的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可以對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)備的可靠性。利用 Icepak 軟件強(qiáng)大的熱分析功能，在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中可以考慮一些重要的熱性能信息，從而使電子設(shè)計(jì)工作大為改觀。首先，利用 ICEPAK 建立電子系統(tǒng)及電子元器件的精確的計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算氣流的狀態(tài)