Ansys Icepak电子器件关键热仿真流程及案例

《高端电子产品热效能仿真设计策略与实践》


引言

电子元器件的稳定性与效能对其工作温度的依赖性日益凸显，尤其是在今日常见的高功率、小型化电子产品中，此关系成为了影响产品生命周期和性能的关键因素之一。基于多年的工业客户经验以及莎益博统计，我们发现温度变化对半导体器件、微电路以及整体电子系统有着显著的影响。故障率增长、性能衰退等问题频频出现，而借助先进的仿真技术解除这一困境显得尤为重要。




热效能仿真设计重点


几何模型与热流理论计算

几何模型处理：Ansys Spaceclaim 强化了三维模型处理的能力，确保仿真得到的温度分布具有高度的真实性，而几何一致性则为后续的热流分析奠定基础。

热流理论计算：包括导热（考虑通过PCB组件及电路层的能量传递）、对流（观察能量交换于流体与固态电子元件之间的自然与强制效应）以及辐射（分析隔热、散热效应，特别是太阳辐射对电子系统的潜在加热）。仿真通过高级算法精确模拟这些效应，以实现成本效率高、速度周期快速的特点。

散热解决方案模块化

散热管/风扇/散热器功能：Ansys Icepak 功能完备，可直接整合关键散热组件进行仿真分析，如热管、风扇与散热器，这些组件模拟时需考虑材料属性的准确值。

高级网格铺设技术

贴体网格实现：Ansys Icepak 的网格系统技术先进，能精确对复杂形状的模拟对象进行贴合，采用层次网格、嵌套组件动态构建网格，显著提升了仿真准确度和效率，提醒用户进行一次专业培训，以优化网格技术的使用效果。

热仿真设计实践：以一体机案例分析


风扇与PQ曲线设计

在分析一体机散热方案时，考虑使用特定风扇提供的性能曲线（PQ曲线），利用Ansys Icepak 对其进行特性设置，以确保散热效率。

发热状态匹配

依据发热组件的功率规范，通过基于供应商数据的2R发热模式设置，实现对发热状态的精确模拟。

高级热管理组件应用

热管作为高端热管理组件，其成本相对较高，但直接在仿真中进行计算，应用正确材料属性，确保热传导系统的优化。

电路图纳入热管理考虑

真实电路图及其引脚信息（导线大小、层数、过孔）纳入仿真，提高散热通道仿真精确度，特别在设计与热传导效率的关系分析中，至关重要。

ID优化以降低制造成本与提高散热效果

通过对ID合理性评估，改变部分开孔以引导气流穿过关键散热区域，利用风流优化散热过程，实现更低的成本与更优的性能。

结论

仿真技术为设计人员提供了一套快速、高效的设计评估工具，通过深入的分析与成本效能比较，能够实现产品从概念到实现的全面优化。基于先进的仿真软件如Ansys Icepak的使用，结合专业培训与实践案例的分析，为行业带来了显著的创新和改良潜力，推动了电子产品的持续发展。

来源：莎益博CAE仿真