電子設(shè)備的小型化趨勢正在持續(xù)增加所有封裝級別的功率密度。設(shè)備小型化源于降低成本考慮，這也是許多行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動因素，其結(jié)果就是設(shè)計(jì)裕量越來越少，對過度設(shè)計(jì)的容忍度越來越低。這一點(diǎn)對于產(chǎn)品的物理設(shè)計(jì)來說尤其準(zhǔn)確，因?yàn)檫^度設(shè)計(jì)會增加產(chǎn)品的重量和體積，很多時(shí)候還會增加制造和組裝成本，從而增加最終產(chǎn)品的成本。

　　有效散熱對于電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行和長期可靠性而言至關(guān)重要。將部件溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)是確定某項(xiàng)設(shè)計(jì)可接受程度的通行標(biāo)準(zhǔn)。散熱解決方案可直接增加產(chǎn)品的重量、體積和成本，且不具有任何功能效益，但它們提供的是產(chǎn)品可靠性。如果沒有散熱系統(tǒng)，大部分電子產(chǎn)品用不了幾分鐘就會發(fā)生故障。漏電流以及由此產(chǎn)生的漏電功耗會隨著芯片尺寸縮小而上升;此外，由于漏電與溫度密切相關(guān)，因而產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)就更加重要，正如需要為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備保持電量一樣。

　　那么，企業(yè)中的工程管理人員應(yīng)如何介入涉及復(fù)雜和/或高功率電子部件的產(chǎn)品開發(fā)流程才能確保其產(chǎn)品既保持應(yīng)有的熱性能又滿足其他設(shè)計(jì)要求呢?

　　要回答這個(gè)問題，我們需要探討電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域面臨的以下 10 個(gè)關(guān)鍵難題。

　　1. 熱設(shè)計(jì)所涉及的工科范圍

　　電子散熱(或稱為熱設(shè)計(jì))其實(shí)是一個(gè)相當(dāng)小眾的細(xì)分領(lǐng)域。二十年之前，熱設(shè)計(jì)通常是企業(yè)中的集中設(shè)計(jì)活動，配有熱專家團(tuán)隊(duì)，成員主要是具有熱傳遞知識背景的機(jī)械工程師，為所有業(yè)務(wù)部門提供熱設(shè)計(jì)服務(wù)。當(dāng)時(shí)，產(chǎn)品的機(jī)械部分(包括任何散熱解決方案)與電子部分是獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)的。那時(shí)的產(chǎn)品開發(fā)速度非常緩慢，因?yàn)榇蟛糠志θ匀环旁诋a(chǎn)品的物理樣機(jī)研究，用于糾正設(shè)計(jì)完成后可能出現(xiàn)的問題。但今天，熱設(shè)計(jì)作為一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域可能由負(fù)責(zé)某個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中由一個(gè)或多個(gè)成員來完成(具體視公司或行業(yè)情況而定)。

　　對于那些以確保產(chǎn)品熱運(yùn)行正常為己任的設(shè)計(jì)師來說，熱設(shè)計(jì)既可以是專職工作，也可以是兼職工作;他們可能是同時(shí)涉足產(chǎn)品機(jī)械的通才(而非熱處理專家)，也可能是電子專業(yè)工程師。

　　在企業(yè)或業(yè)務(wù)部門內(nèi)考慮優(yōu)化熱設(shè)計(jì)事宜時(shí)，應(yīng)考慮團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)背景和實(shí)際技能。由于其專業(yè)背景各異，可能需要各不相同的熱設(shè)計(jì)工具來發(fā)揮各自的最大效率。因此，從設(shè)計(jì)工具的角度考慮，一定要因地制宜，不能一刀切。

　　圖 1：FloTHERM XT 的界面可提供全面的 MCAD 支持

　　2. 不同的目標(biāo)設(shè)計(jì)環(huán)境

　　為什么當(dāng)初熱設(shè)計(jì)人員都來自機(jī)械或電氣專業(yè)背景?部分原因在于歷史上企業(yè)對熱設(shè)計(jì)的一貫看法，以及因此而產(chǎn)生的熱設(shè)計(jì)如何與其他設(shè)計(jì)活動相結(jié)合的問題。

　　在部分企業(yè)中，熱設(shè)計(jì)可能被視為 PCB 設(shè)計(jì)流程的一部分，與主要的電子設(shè)計(jì)并行，尤其是設(shè)計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)插 架的產(chǎn)品時(shí);在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計(jì)任務(wù)的則可能是電子工程師，習(xí)慣使用 EDA 工具，例如 Mentor 公司的Xpedition Enterprise [1]。此時(shí)，最好為他們提供基于 EDA的 PCB 仿真解決方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 產(chǎn)品，其中包含有熱分析模塊，當(dāng)然還有設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、電源完整性、信號完整性、三維電磁以及模擬仿真等。

　　圖 2：HyperLynx 的熱設(shè)計(jì)界面圖片(其中顯示的是熱模型)

　　而在另一方面，熱設(shè)計(jì)可能被視為與產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)部分并行，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)行業(yè)(例如汽車行業(yè))較為普遍，因?yàn)檫@些產(chǎn)品中的電子成分一直增長緩慢，直到最近幾年。在此情況下，承擔(dān)熱設(shè)計(jì)任務(wù)的則可能是汽車工程師、機(jī)械工程師或產(chǎn)品工程師，習(xí)慣在企業(yè) PLM 環(huán)境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西門子的 NX等。此時(shí)，最好為他們提供直接嵌入在 MCAD 系統(tǒng)中的熱設(shè)計(jì)解決方案，一來對他們輕車熟路，二來恰好與企業(yè)現(xiàn)有工作流程完美契合。Mentor 公司的三維計(jì)算流體動力學(xué) (CFD) 分析解決方案 FloEFD [2] 已經(jīng)植入上述所有 MCAD 系統(tǒng)，并與歐特克 Inventor 和西門子 SolidEdge 緊密集成，提供專門的支持模塊用于電子散熱和 LED 照明等應(yīng)用。

　　圖 3：西門子 NX 界面圖片(其中顯示的是 FloEFD 熱模型)

　　從更廣義的角度來看，熱設(shè)計(jì)應(yīng)位于上述主要 EDA 和 MCAD 設(shè)計(jì)流程之間的某個(gè)位置。承擔(dān)熱設(shè)計(jì)的人員可能是一個(gè)同時(shí)擁有機(jī)械和電子專業(yè)背景的混合人群，他們需要使用上述兩種工具集生成的數(shù)據(jù)，但又對其運(yùn)行知之甚少。對于這群人，獨(dú)立運(yùn)行且與上述主要設(shè)計(jì)流程進(jìn)行無縫集成的解決方案應(yīng)該是最佳選擇。傳統(tǒng)的 CFD 電子散熱軟件就是針對這一工程師群體和環(huán)境設(shè)計(jì)的。Mentor 公司的 FloTHERM 套件中包含F(xiàn)loTHERM、FloTHERM XT 、FloTHERM PCB 和 FloTHERM PACK，并輔以FloMCAD.Bridge 、FloEDA.Bridge 和Command Center，提供最全面、最綜合的工具集。

　　圖 4：FloEDA 橋接(其中顯示的是插滿器件的 PCB 板熱模型)

　　3. 研發(fā)中產(chǎn)品的類型及產(chǎn)量

　　我們已經(jīng)了解工程師和設(shè)計(jì)環(huán)境對于熱設(shè)計(jì)的有效運(yùn)作會產(chǎn)生怎樣的影響了。其實(shí)，正在研發(fā)中的產(chǎn)品其所屬類型及未來產(chǎn)量對熱設(shè)計(jì)同樣有影響。

　　在傳統(tǒng)行業(yè)中(例如航空、核能、汽車等)，CFD 軟件一直用于分析研究產(chǎn)品的性能，主要原因是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間相對較長，對安全性和可靠性的要求要高于成本和性能。這些行業(yè)中電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)當(dāng)然也會受到這些因素的影響，關(guān)注重點(diǎn)降低元器件溫度，留出充分的安全裕量，設(shè)計(jì)值往往低于其額定值以延長產(chǎn)品使用壽命。因此，設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量設(shè)計(jì)精力用于增加散熱系統(tǒng)的冗余，以致于如果風(fēng)扇發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能在規(guī)定范圍內(nèi)保持正常運(yùn)行，而且更換風(fēng)扇可以在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行。

　　而對于今天的高量產(chǎn)消費(fèi)類電子產(chǎn)品來說，成本和性能則成為主要決定因素。隨著更新?lián)Q代的步伐不斷加快，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期也被大量壓縮，從概念設(shè)計(jì)到最后投產(chǎn)僅用數(shù)個(gè)月。盡量降低產(chǎn)品單位成本成為設(shè)計(jì)活動的主要目標(biāo)，這就需要對設(shè)計(jì)空間進(jìn)行仔細(xì)研究探索，確保選擇最具成本效益的散熱解決方案，選擇時(shí)要考慮來自設(shè)計(jì)各個(gè)方面的影響，例如封裝選擇、PCB 布局、電路板架構(gòu)以及圍護(hù)設(shè)計(jì)(包括風(fēng)扇尺寸、位置、通風(fēng)口定位等)。有關(guān)這方面的更多討論詳見參考文獻(xiàn) [3-7]。這種獨(dú)特而又具壓倒性的要求(快速分析與設(shè)計(jì)空間探索)引發(fā)了市場對電子設(shè)備散熱專用 CFD 軟件的研發(fā)熱潮，這一潮流從上世紀(jì) 80 一直持續(xù)至今。這些解決方案將不同的 CFD 技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的貼體式 CFD 程序，從而實(shí)現(xiàn)快速生成第一結(jié)果，而后則以更快的速度進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。

　　這種技術(shù)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是，對熱模型的任何修改，包括幾何尺寸更改、網(wǎng)格劃分、解決方案以及對結(jié)果的后期處理等，可全部實(shí)現(xiàn)自動處理。這樣就提供了一個(gè)其他無可匹敵的功能，既能夠繼續(xù)探索設(shè)計(jì)空間優(yōu)化，同時(shí)又能釋放寶貴的工程資源用于價(jià)值更高的活動。

　　Mentor 公司的 FloTHERM 套件輔以 Command Center，可為用戶提供基于空間填充用拉丁超立方體的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì) (DoCE)、順序優(yōu)化 (SO) 和響應(yīng)面優(yōu)化 (RSO) 等。其中采用 SO 和 RSO 預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可自動進(jìn)行仿真以確保其性能表現(xiàn)與預(yù)測一致(見圖 5 所示)。FloTHERM XT 中內(nèi)置的實(shí)體模型器也具有類似功能，可進(jìn)行以 CAD 為中心的參數(shù)化研究。

　　圖 5：指揮中心場景表(其中顯示的是已解決的設(shè)計(jì)以及 RSO 最佳結(jié)果和響應(yīng)面)

　　4. 適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展

　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)小型化的總體趨勢催生了日益凌亂和復(fù)雜的幾何模型，加深了產(chǎn)品中機(jī)械成分與電子成分的緊密集成，其中最為典型的就是移動應(yīng)用，代表產(chǎn)品包括智能手機(jī)和平板電腦等。

　　設(shè)計(jì)小型化在產(chǎn)品級別的一個(gè)結(jié)果就是流動空間被大幅壓縮，從而限制了對流散熱的范圍。這些小型空間會導(dǎo)致內(nèi)部空氣出現(xiàn)層流化流動，其湍流強(qiáng)度由槽壁生成的剪切力決定(同時(shí)影響著湍流生成與湍流阻尼)，這實(shí)際上減少了捕捉湍流效應(yīng)數(shù)值的需求。隨著時(shí)間推移，空氣中的升溫對于 IC 封裝體內(nèi)部結(jié)點(diǎn)升溫幅度(高于環(huán)境溫度)的影響會越來越小;

　　反過來說，產(chǎn)品小型化趨勢對以下方面的要求日益提高：幾何模型精度、材 料、表面特性捕獲、表面間輻射以及(在某些應(yīng)用中)太陽能輻射等。電源層與接地層中的電流密度以及直流走線已經(jīng)到了相當(dāng)嚴(yán)重的地步，其已成為電路板中的熱源，在后期設(shè)計(jì)中不得不加以認(rèn)真考慮。上述這些技術(shù)性變化將帶來日益增長的需求，那就是將熱模型與機(jī)械 CAD 和基于 EDA 的工具集、以及它們所描繪的幾何模型同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成。更小型的功能及芯片封裝尺寸(規(guī)模上與電路板上用于信號傳遞和功率輸出的銅皮功能相類似)則需要采用相應(yīng)的、高水平的細(xì)節(jié)來呈現(xiàn)。

　　圖 6：FloTHERM XT 中內(nèi)置的 Microsoft Surface Pro 和熱模型，為清晰起見隱藏了部分幾何模型細(xì)節(jié)(圖片由 ECS 提供 [8])

　　5. 與設(shè)計(jì)工具集相集成

　　隨著機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)學(xué)科的逐漸融合，加上產(chǎn)品小型化的發(fā)展趨勢，這就要求在一個(gè)設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行的更改必須及時(shí)反饋到其他流程中。傳統(tǒng)的面向 PCB 設(shè)計(jì)的二維方法現(xiàn)已獲得顯著增強(qiáng)，可以使用三維視圖、庫和各類 DRC 選項(xiàng)(由 Mentor 公司的 Xpedition Enterprise VX 提供)。

　　FloTHERM XT 內(nèi)置了 MCAD 內(nèi)核，可以導(dǎo)入利用前述所有主流 CAD 平臺生成的原始 CAD 幾何模型。經(jīng)由FloTHERM XT 修改過的零件可以采用同一原始 CAD 格式導(dǎo)出并重新導(dǎo)入至原來的 MCAD 環(huán)境，確保零件歷史數(shù)據(jù)得以完好保留。

　　FloTHERM XT 支持與其他公司的 EDA 設(shè)計(jì)套件實(shí)現(xiàn)同步，例如Cadence、Zuken、Altium 以及其他 ODB++ 解決方案聯(lián)盟成員企業(yè) [9]。功能包括對電路板外形進(jìn)行編輯、對元器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換、任意角度旋轉(zhuǎn)、任意調(diào)整尺寸等，還支持 IDF 導(dǎo)入。

　　與 EDA 和 MCAD 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近乎完美的集成是目前熱設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)工作流程有效保持一致的前提條件，但就其自身而言，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。