50g的教程十七icepak介绍

1、一、 电子热设计的重要性电子设备热设计是指对电子设备的耗热元器件以及整机设备或系统的进行控制所采取的措施，其目的在于保证电子设备或系统正常、可靠地工作。电子设备的功能设计是产品的“卖点”，解决的是在市场上有没有人要的问题；而可靠性设计则主要考虑能否投入市场，使产品能顺利、可靠地运行，并尽量减少的成本和满足苛刻条件的要求。电子设备均处于一定环包括：气候、机械、电磁、生物、化学以及特种环境等，境中、和工作，这些环境如不采取有效的环境保护措施，将导致电子设备及系统功能的降低、失效或损坏。而诸多环境因素中，温度（包、低温及其循环）对电子设备的影响尤为关键，图1是对元器件失效原因所航空电子整体项目，US

2、 Air ForceAvionicsegrity进行的统计（资料来源：Program），从中可以看出温度是影响元器件可靠性的主要。另外，电子设备的运行实践表明：随温度的增加，元器件的失效率呈指数增长，这在不同程度上降低了设备的可靠性，图2 所示为器件结温与失效率示意图。电子设备在工作时，输出功率通常只占输入功率的一小部分，其它大部分损失都以热能形式散发出来。随着时钟频率快速提高、封装变薄、封装的 pin pitch 减少、IC chips 功能更复杂、封装的 footpr数降低以及电子设备向大功率和小型化方向发展，导致电子产品过热的问题显得越来越突出。因此，为保证电子设备在相应的工作环境下长期

3、、稳定地工作，热设计这一环必不可少。二、 需求分析在电子产品中，元器件的工作温度是影响其可靠性指标的一个重要因数。电子器件的工作温度和可靠性之间存在一种可的关系，因此，为保证产品工作在允许温度的范围内，设计都要千方百计地提高散热效率、改善换热环境。随着超大规模集成电路的发展和电子组装密度的提高，使得体积容纳的热量越来越多，并且还要满足电磁兼容地要求，处于降噪条件下的电子产品要求拆去风扇，特别是对工作在恶劣环境中的电子产品要求其必须是全封闭的，这样使得电子产品的散热环境进一步，因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位。如今电子产品的设计已进入了面向并行工程 CADCAECAM

4、的时代，设计及评估都面临着掌握热仿真技术的极大一）热设计的基本步骤。1根据电子设备的剖面和任务剖面，确定设备的热环境：包括设备周围的空气温度、湿度、气压、空气流速、设备周围物体的形状和黑度、日光照射以及有无空调、空调空气的温度和速度等。进行热分析：通过热分析确定系统和单元的传热途径，确定最佳的冷却方法及确定各个传热环境的热阻，以便进行有效的热设计。进行热设计：电子设备进行系统热设计时应与电路和结构设计同步进行。在电路设计时，应尽量减少电路发热量、减少发热元件的数量；选择耐热性和热稳定性好的元器件、原材料，采用降额设计法等。在结构设计时应合理地选择冷却方法，进行传热通道地最佳设计，尽量减少热阻和

5、摩擦发热部件，采用耐热性好地原材料等。进行热设计仿真和评审：设备冷却方法的确定及冷却介质流量的估算主要取决与设备（元、件）的发热功率，发热设备（元件）的散热面积，发热元件，热敏元件（和设备）的最高允许工作温度及环境温度等数据是否合理，结构上的排列是否根据元件的电气性能和热特性等综合考虑，因此必须采用一定的方法和审核，进行改进设计。5进行热试验和热测量：热测量是指对电子设备的样机或模型的各种热性能参数的测量，其目的在于检测热设计的效果和预计该设备所能达到的热性能指标，并对冷却系统的适用性和有效性进行评价。内容包括：检查所设计的冷却系统是否达到预定的技术指标；对机柜，集中发热元器件，整机系统的热性

6、能参数进数有：量，为热设计和改进设计提供计算数据。其中具体热测量的参关键元器件、散热器及其他冷却装置的表面温度；机柜系统内的温度分布；机柜或机框内风道处的空气流量和压力损失；液体冷却系统中的流量和压力损失等。二）引入CAE 技术，提高热设计水平在产品开发过程中，如何降低成本，使工艺流程能更加迅速地反应市场变化，是一项艰巨任务，引入计算机辅助工程（CAE）技术能够加快产品开发周期、降低开发成本。在电子设备热分析中，电子设备热通过模型建立、模型求解和结果解释面能够分析单个元件、多芯片模块、散热器、PCB 板直至整个电子系统，因此，设计在系统设计阶段就可以进行电子设备的系统性综合分析和元件级的详细分

7、析，以期解决如下问题：优化电子系统内关键器件的位置；对电子系统强制对流和自然对流冷却等几种方案进行综合比较；设计风扇、通风口的位置尺寸；确定单板与单板之间和电子系统内各个部件之间的空间大小；优化散热器的形状和尺寸以最大限度地发挥其散热效率；提高散热孔和散热片地热传递效率。由于电子产品热设计软件在界面、精度、可靠性、鲁棒性、速度等方面都已成熟，因此，对于电子设备热设计工作有如下优点：改善产品性能和可靠性；加快产品上市时间；减少设计反复次数；快速获取参数，优化设计方案；降低成本。三）用热进行热设计在设计开发流程中进行的热分析热仿真流程一般包括以下四个层次：环境级（Environment）-系统运行

8、工作所处于的物理环境；系统级（Systems）-电子设备机箱、机柜等系统级热分析；组件级（Components）-电子模块，散热器，PCB 板等级别的热分析；封装级（Packages）-元器件级别热分析。针对电子设备的散热特点，采用热进行热设计优化。系统级分析一般处于设计的开始阶段，用最少的工作获得最大的信息，这一阶段只需要近似的几何形状和功耗，其目的为：优化主要部件（比如通风口、风扇等）的形状位置和设计的可行性；确定风扇、通风口和PCB 之间的流体分布；确定系统的；定位热点等等。详细系统级分析一般处于设计循环的晚期或是对现有方案的验证，其作用包括：提高系统级分析的精度；确定空气的温度、速度、

9、压强，为做细化的局部分析做准备；固体表面温度的估计；固体周围空气温度的精确计算。局部分析一般也处于设计循环的晚期或是对现有方案的验证，并且多数是针对元器件的结温，其作用包括：精确分析固体内部温度和其周围空气的温度和压强等。三、Fluent 公司及海基公司情况2.1 Fluent 公司介绍Fluent 公司是享誉全球的 CFD 软件供应商和技术服务商。公司总部设在New Hampshire机构。州的anon，下属机构遍及全球，在欧洲和亚太地区都设有多个子公司和1983 年，的流体技术服务公司 Creare 公司的 CFD 软件部（Fluent 公司的前身），推出了其第一个CFD 软件包 FLUE

10、NT。自 FLUENT 公司产品面世以来，以其丰富的物理模型、先进的数值方法及技术高质量的技术支持和服务，FLUENT 软件很快成为 CFD 市场的领先者。1988年 Fluent 公司正式成立。1995 年，Fluent 公司并入了在数字和能源电子等领域具有主导地位的Aavid Thermal Technologies 公司。FLUENT 公司为了加强电子产品 CFD 软件分析的功能和易用性，1996 年 FLUENT 公司开发了面向电子产品工程师的专业热软件的求解器，自从 Icepak 问世以来，短短的几年时间里，在电子热Icepak，它采用 FLUENT的市场份额超过40%。目前 Flu

11、ent 公司拥有全球度递增。CFD 软件领域第一的市场份额，并以每年两位数的百分比速Fluent 公司在 CFD 技术和市场的首先，公司拥有大批优秀的专业技术地位主要得益于以下几个方面：。在公司目前的 550 多名职员中，有 340 人拥有博士学位。其次， Fluent 公司凭借其强大的经济实力，斥巨资进行 CFD 前沿技术和产品开发。目前公司每年仅在技术开发方面的投资已超过了最大竞争对手的年总收入，确保证了 Icepak 软件在网格技术、数值算法、物理模型和可视化等技术方面，均能领先于竞争对手。2.2海基公司介绍：海基科技发展公司成立于 1996 年，主要从事工程仿真分析和工程咨询业务，包括

12、国防、航空航个领域，用户遍及械制造、汽车、船舶、兵器、电子、铁道、能源、材料工程等各。1998 年七月，海基公司正式成为全球最大的 CFD 软件商Fluent公司的独家。大量的工程经验表明，依托国外优秀的 CFD 软件可以加快我国工业界的技术、产品开发能力，节约大量的人力物力资源。海基公司目前已经建立了一支拥有多名 CFD 博士学位的技术工程师队伍，专业从事于 CFD软件的与技术支持。从 1998 年至今，海基公司的业务得到飞速发展； 2001 年 4 月在设立办事处。2001 年七月，海基公司成立了和工程技术部，以加强对客户的服务。在海基公司全体员工的共同努力下，在 2001 年，FLUEN

13、T 公司的产品在国内 CFD 软件的市场占有率高达 55，用户数目以每年平均 20的速度增长，目前拥有将近 200 个用户。2.3 本地支持员工海基公司目前已经建立了一支拥有多名 CFD 博士学位的技术工程师队伍，专业从事于 CFD软件的下：与技术支持。海基公司技术支持和技术服务有博士七名，五名，具体如博士、博士后、尤迎玖博士、隋博士、何安定博士、（女）、谭博士、温泉博士、等。博士（女），、四、ICEPAK软件技术特征1）产品性能A、网格生成方法（结构化网格、非结构化网格、不连续化网格、混合网格）Fluent 公司的 Icepak 软件提供了自动化的网格，其中包括非结构化的连续网格和不连续网格

14、，结构化的连续网格和不连续网格，以及四面体网格。这些功能强大的网格技术能够帮助用户解决各种复杂问题。结构化连续网格非结构化连续网格非结构化不连续网格四面体和六面体混合网格四面体网格另外，Icepak 的非连续网格可以嵌入。下图是两层嵌入网格的模型。B、对网格质量的评价、建议工具Icepak 的网格生成是完全自动化的，而且还具有网格检查功能。即在网格生成之后自动计算出网格的长细比、用户做进一步的改进。率、体积等参数，而且还能在界面上显示出较差网格的位置，以便C、求精度、速度和稳定性Icepak 软件的内核采用 FLUENT 的有限体积解算器，并采用多重网格收敛技术，能加快解算的收敛和保证高精度。

15、除此之外，Icepak 软件还允许用户调节松弛因子，从而使复杂工程问题的解算收敛速度更加容易控制。由于 Icepak 软件采用 FLUENT 软件解算器，而 FLUENT 是目前 CFD 领域最为成熟、应用最为广泛的算法，经过全球 CFD 用户二十多年的检验，FLUENT 求解器更加稳定。D、求解器支持的物理模型（考虑：稳态模型、瞬态模型，层流模型、湍流模型，热传导模型，热幅射模型）Icepak 软件包含多种热分析所需要的物理模型： 稳态分析、瞬态分析；层流、湍流；强迫对流、自然对流、混合对流、热辐射、固体传导；不同流体介质间的换热。另外，Icepak拥有换热器模型、风机、风口、PCB 板、冷

16、板等热分析模板。E、并行能力的支持（考虑：CPU 负载平衡、支持的并行模式）Outer assemblyInner assembIcepak 软件采用自动分区技术，自动保证各 CPU 的负载平衡。在计算中自动根据 CPU 负荷重新分配计算任务。Icepak 软件的并行效率很高，双 CPU 的并行效率高达 1.8-1.98，四个 CPU的并行效率可达 3.6。因而大大缩短了计算时间。除支持单机多 CPU 的并行计算外，Icepak 软件还支持网络分布式并行计算，支持 UNIX、LINUX、NT 的并行系统。Icepak 内置了 MPI 并行机制，大幅提高了网络分布式并行计算的并行效率。还支持 S

17、MP、DMP、DSMP 等并行模式。F、后处理功能（考虑：最大最小指示、任意平面标量和矢量可视化、等值面、温度分布、流线粒子、表格数据总结）Icepak 软件可以看到任何位置，任何时间的各种参数结果，包括：等值面图、温度变化、速度云图、压力分布、热载荷分布、流线粒子动画、瞬态动画、最大最小值指示、任意平面标量和矢量可视化，可直接生成沿某直线物理量的结果变化曲线，某物理量的时间变化曲线，多方案比较结构曲线，还可以将保存成多种格式：如 gif,jpg,ppm,rgb,tiff,xwd,vrml 和 ps等，将动画可以保存成：MPG, Animated GIF, AVI 和 FLI 格式。Icepa

18、k 还可以出总结：温度，速度，压力等所有参数的数值，保存和重新使用，风扇操作点，Tj 数值等。还可以出详细，看到任一个点的数值变化，并可将结果直接生成 HTML 文件格式，便于网上交流。-、自动化的支持Icepak 软件支持 TCL 语言，用户可以深入软件内部自己编程，软件在分析的过程中会自动文件。建立H、CAD/EDA 接口的支持（考虑：数据类型、简化功能、实用性）CAD 的接口支持 IGES、STEP、DXF、ICEM CFD、Tetin 和 Csv/Excel 等接口。EDA 的接口支持 IDF 格式（如，Mentraphics, Cadence）的直接输入，功耗和热阻参数也都可以读入。

19、Icepak 软件的结果可以输出到 Patran, Nastran,I-deas 等结构做耦合场分析。I、封装建模能力Icepak 可以详细地分析各种封装，例如：BGA、QFN、QFP、PBGA、TBGA、PQFP、FLIP_CBGA等。封装中的 wire, Via, die，paddle 等温度分布情况都可以得到详细描述。Icepak 还提供了大量封装的模型库。为用户解决封装问题提供了极大的方便。J、多项流体分析功能Icepak 软件可求解多种流体介质问题（空气+水冷却等）。可以很好地解决多种流体介质冷却的问题。K、Zoom-In 功能的支持Icepak 软件提供了强大的 zoom-in 功

20、能，能够自动保存系统级模型的计算结果，并应用于子系统、部件级或封装级，从而大大提高您的工作效率。两种流体空气+水L、优化功能Icepak 软件优化器基于高效的梯度优化算法，可以解决包含 50 个设计变量，10 个约束方程的优化问题。Icepak 预定义了一组优化函数，譬如总功率，器件的最高温度，器件的平均温度，器件的质量，体积，器件的表面积，heatsinks 的热阻，压力差等等，可以通过这些简单函数的组合来定义更复杂的函数。Icepak 的优化功能简单易用，可以通过优化设计向导定义设计变量和约束，自动进行多工况的优化求解，提交优化化曲线。如下例子是一风扇流量的优化问题：，动态显示设计变量或函

21、数的值及变模型是通过风扇散热器组合散热的图形显示卡，包括：PCB (10 层, 10W 均布功率)、Fan、Heat sink、四个分立器件 (每个 1.5W 功率)和 CPU (15W 功率)，优化目标:，保证系统最高温度低于 90 C 的最小风扇流量，结果:最小流量值 = 5.929 cfm。显卡的优化仿真优化求解输出优化结果的温度运图M、建立各种复杂的散热器由于 Icepak 软件采用非结构化的网格技术，对复杂的散热器问题快速生成高质量的网格，它可以逼近各种形状复杂的几何，可以优化各种形状的复杂散热器。Icepak 软件提供薄板散热模型，用户只需要给出薄板的有效厚度，在薄板的厚度方向不做网格，而实际厚度的体现由求解器来完成