一、熱設計
熱設計是隨著通訊和信息技術產業的發展而出現的一個較新的行業，且越來越被重視。隨著通訊和信息產品性能的不斷提升和人們對于通訊和信息設備便攜化和微型化要求的不斷提升，信息設備的功耗不斷上升，而體積趨于減小，高熱流密度散熱需求越來越迫切 。
熱設計便是采用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證產品正常運行的安全性，長期運行的可靠性 。此外，低溫環境下控制加熱量而使設備啟動也是熱可靠性的重要內容。
目前，熱設計在電動汽車動力系統熱管理和熱仿真、高科技、醫療設備、軍工精密裝備等行業中越來越被重視，成為產品研發中不可缺少的重要領域。
二、熱分析軟件介紹
FLOTHERM是一套由電子系統散熱仿真軟件先驅----英國FLOMERICS軟件公司開發并廣為全球各地電子系統結構設計工程師和電子電路設計工程師使用的電子系統散熱仿真分析軟件，全球排名第一且市場占有率高達80%以上。
三、電子行業熱分析
電子行業是有限元分析應用的一個重要領域。隨著全球電子工業的飛速發展，電子產品的設計愈來愈精細、復雜，市場競爭要求電子產品在性能指標大幅度提高的同時，還要日趨小型化。電子產品跌落、新型電子材料的研發和制造、音頻設備聲場特性的設計和評估、電子產品的熱力仿真、芯片封裝的熱分析等的力學仿真是電子領域中很深入、復雜并極具挑戰性的課題，需要多門學科的理論和方法的綜合應用。
電子產品熱分析：
眾所周知，電子元件在運作的時候，無法達到100%的效率，所流失的能量絕大部分都轉換成為熱量發散，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。所以進行電腦等各種設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
詳細的LED封裝模型，通過仿真驗證和考察電路板及散熱片的散熱性能。
3. 芯片封裝熱分析
根據具體的封裝結構，建立詳細分析模型，計算芯片正常工作或瞬態變化（比如啟動）時的熱特性和溫度分布情況。芯片級熱分析。
4. GBT模塊散熱優化
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件。在電力電子等領域得到廣泛的運用。但其對工作環境要求苛刻，需要穩定可靠的散熱環境。通過熱仿真對IGBT進行系統級別分析，根據計算結果改進并且優化散熱和布局方式。
5. 散熱器優化
針對熱源功耗，充分考慮產品重量，成本等因素，合理選擇和設計散熱器；并且通過熱仿真計算，確定散熱器的熱阻特性。
6. 電器柜分析
通過調整結構，優化散熱路徑，增加熱管散器等方式，有效的降低了柜內電氣設備的工作溫度。同時根據計算確定正常工作時電器柜內的熱環境以及各個模塊的溫度值，優化柜子散熱性能以及模塊的布局。
7. 半導體元器件熱仿真
在微電子結構中，內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體功率元器件的溫度變化以及熱量流動。
8. 機箱散熱性能分析
如果一款機箱不能夠起到良好的散熱效果，那么對這些硬件就會產生不可逆轉的損壞。隨著電腦配件中幾大件發熱源功率的不斷增加，INTEL公司為了保證自己生產的CPU的溫度能被控制在一個穩定工作范圍內，針對機箱提出了機箱散熱規范CAG（Chassis Air Guide），該規范是一個機箱內各部件的冷卻散熱解決方案，只有通過了結構、EMI、噪音、散熱等所有一系列測試，一款機箱才能夠被認定為是符合規范的產品。正是由于INTEL規范的提出，非常多的廠商針對機箱散熱做出了改善， 以下是采用Abaqus進行機箱散熱分析，從而優化散熱結構。
可以清楚的看到，未調整之前機箱中上部特別是CPU附近的溫度相當高，調整之后可以看到溫度有明顯的降低。
9. 電子封裝中熱傳導和熱應力問題
由不同材料組成的封裝組件在溫度變化的環境下會產生很大的熱應力，導致封裝失效。Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能，包括：穩態熱傳導和瞬態熱傳導分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析，強制對流和輻射分析，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的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復雜材料模型，來模擬金屬、聚合物、復合材料等電子材料的熱學和力學性質。
Abaqus包括51種純熱傳導和熱電耦合單元，83種隱式和顯式完全熱固耦合單元，覆蓋桿、殼、平面應變、平面應力、軸對稱和實體各種單元類型，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的熱分析單元數量都比Abaqus少，如ANSYS中純熱傳導和熱耦合單元總計為40種，MARC中純熱傳導單元為40種，無完全熱固耦合單元。右圖是臺灣新竹清華大學采用Abaqus分析BGA焊點熱應力和熱應變的模型圖。
典型應用：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熱、封裝材料界面間的熱傳導、板上元件的強制對流散熱、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估功能。它依托于Abaqus的求解器模塊，將Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit的應力分析結果根據載荷出現的幾率進行數理統計和分析，得到疲勞壽命的預估值，并可以用Abaqus/CAE的圖形界面進行處理，得到用戶關心的參數，有效地指導結構的疲勞設計。Fe-Safe和Abaqus的分別是疲勞壽命計算及結構位移／位移分析方面的最優秀分析軟件，兩者的有機結合可以對機械結構疲勞設計和分析提供最佳的解決方案。
由于受熱導致的應力和應變在溫度循環下會造成封裝材料疲勞失效，如倒裝焊中的焊點和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。Abaqus/Standard中的直接載荷循環分析功能提供了預測承受熱載荷的彈塑性結構的低周熱疲勞壽命。更復雜的疲勞問題可以通過Abaqus/Safe模塊來實現。右圖是NEC公司和紐約州立大學Buffalo分校電子封裝中心合作采用Abaqus進行表面貼裝中共晶焊點熱疲勞失效分析的結果。
下圖為芯片焊點疲勞失效分析。
|
首頁 課程表 在線聊 報名 講師 品牌 QQ聊 活動 就業