CFD 專欄 ：深入了解 SimLab 電子產品熱流體模擬

 

電子產品的熱模擬特點有哪些 ？

• 結構複雜，電子設備包含數十~上千個元件

• 體積小，功率密度高、關注熱敏感元件

• 多種冷卻方式，自然冷卻、風扇冷卻、液冷、熱管等

• 多維度，晶片級，板級，系統級

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SimLab Electronics Thermal 熱分析專用工具

• 基於 FVM 演算法的熱流體求解器 ElectroFlo (技術源自 TES International 公司，已被 Altair 收購)

• 快速建模，無需幾何清理，全自動六面體網格，讓使用者專注於產品熱設計

• 熱分析對象：機箱機櫃、PCB 板、消費性電子產品

• 可導入 MCAD（NX / Catia / Creo）和 EDA (ODB++ / Altium / Mentor / Zuken / Cadence) 數據

• 電-熱耦合分析，半導體製冷，晶片熱網格模型

• 風扇模型、水冷通道、湍流模型、熱輻射

• 支援 DOE，熱固耦合

 

SimLab Electronics Thermal 熱分析流程

• Step1 ：導入 CAD 和 ECAD 數據

• Step2 ：幾何離散

• Step3 ：六面體網格

• Step4 ：求解/後處理

 

網格建模方法

Electronics Thermal 將導入的 CAD 模型先離散成網格化的幾何 (Geometry Discretization)，然後在此基礎上加密六面體網格。對於關鍵部位可以用 Mesh Control 工具局部加密。

對於薄片的特徵，採用 Key Planes 工具指定。Key Planes 的位置會隨幾何尺寸的變動自動更新。

 

PCB 板的建模

• PCB 通常含有太多細節，有些銅線只有數十微米，很難用網格捕捉。

• PCB trace mapping 工具可以根據含銅量自動簡化、等效材料屬性。

 

 

 

PCB 簡化既可以針對 PCB 整體，也可以具體到每一層 ：

 

Layer Definition 工具可以預覽/修改 PCB 層的訊息，並選擇性地導入哪些層。

如果選擇 Simplify PCB as a single body 選項, SimLab 會自動將多層 PCB 轉換為均勻的各向同性或各向異性材料。

PCB 簡化工具不僅考慮了等效的熱屬性，也能考慮電屬性和機械屬性（用於強度分析，疲勞失效分析）：

晶片熱模型

• 導入 csv 文件，批次定義晶片的 2R 熱模型

• 使用者選擇 PCB 板，SimLab 自動辨識晶片和板的接觸面

• 計算結果自動輸出每個晶片的板溫，殼溫和節溫

 

液冷模型 Liquid Cooling

模型可以包含空氣冷卻區域和液冷區域，且兩種冷卻介質的區域可以分別選擇不同的湍流模型。

 

感測器 Sensor

• 用於記錄元件、或自訂監測位置的物理量，如溫度，風速，電壓等

• Senor的物理量也可以作為求解器收斂的判斷準則，例如有些情況下數值殘差收斂了，但是溫度還在上升

 

機箱的簡化出風口機型 Vent

Vent 指定機箱通氣格柵的開孔率和壓力損失係數，從而避免對複雜的格柵直接建模。

 

溫度控制器 Thermostat

根據溫度回饋控制多個參數，包括：風扇的開/關；電流、電壓；控制溫度，輻射、對流參數，晶片發熱功率等。

 

風扇模型 Fan

• 幾種風扇參數輸入模式：質量流量，體積流量，轉速/直徑, PQ曲線

• 考慮風扇馬達自身發熱

• 考慮風速的旋轉分量

• 考慮風扇失效模型（類似阻力單元）

• Thermostat 回饋控制，監控溫度達上限開啟風扇，溫度達下限關閉

 

半導體製冷模型 TEC

基於半導體製冷 Peltier 效應，當電流流經電路時，除了產生焦耳熱外，在兩種不同材料的接觸點處會發生熱量轉移，導致一個接頭處吸熱而另一個放熱。

 

SimLab Electronics Thermal 互動式設計變動

使用者可互動式操作模型對象，例如將熱敏感元件稍微遠離熱源，快速完成設計變動分析。

互動式快速設計變動操作演示

 

可以看到本案例的元件位置變動後，原先超出溫度上限的問題得以解決。

 

批量設計變動 DOE

DOE 參數化研究散熱片的 2 個參數（翅片個數 N 和高度 H）對 CPU 和變壓器溫度的影響。

 

 

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