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2020 - 09 - 26
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作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1709字,阅读时间预计6分钟编者按作者利用ANSYS Icepak和SIwave的双向耦合技术,分析了PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,以此得到与真实情况最为相近的结果,用于评估发热问题。此方法可为企业设计与生产节约大量的时间及产品成本。印刷电路板(Printed Circuit Boards,以下简称PCB)是由绝缘介质(...

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如何全面地考虑电子产品板级热仿真问题
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如何全面地考虑电子产品板级热仿真问题

介绍

作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师

本文共计1709字,阅读时间预计6分钟


编者按

作者利用ANSYS Icepak和SIwave的双向耦合技术,分析了PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,以此得到与真实情况最为相近的结果,用于评估发热问题。此方法可为企业设计与生产节约大量的时间及产品成本。

印刷电路板(Printed Circuit Boards,以下简称PCB)是由绝缘介质(FR4)与铜进行层叠的多层基板,是现今电子产品中用于电子元器件内电气连接的重要载体。各种芯片、元器件焊都需要在PCB上进行连接,形成板级电路。

板级产品设计时需要考虑到电可靠性与热可靠性。电可靠性包括功率及信号完整性,功率与信号完整性的设计会引出热损耗的问题,因此我们需要同时去评估热可靠性,之后两者之间会进行一个设计的迭代,最后得出可靠的设计结果。

在这里我们主要以ANSYS Icepak与SIwave为载体,讨论一下使用仿真去评估热的问题。

如何全面地考虑电子产品板级热仿真问题


发热原因

板级电路上的功耗主要来源于大功率的电子元件。

■ PCB中,由于铜线的细小结构会存在较大的电阻,过孔处也会有较大的电流密度的聚集,加上错综复杂的排布,使得电流过载时产生难以预料的过热点。

■ 另外,布线产生的焦耳热与功率器件发热的叠加效应也是使得电子产品热失效/烧毁的原因之一。

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▲电流过载时引起线路的烧毁


热评估方法

传统的板级热仿真会使用电子元件的功耗及其等效的PCB导热系数去做热评估,但是现在可以更加精确快速地完成设计的仿真评估。

ANSYS Icepak中,我们可以使用ECAD(PCB layout设计数据文件)对PCB各层的布线/线路分布及其过孔进行描述,并且计算出各层的导热系数分布,以此来精确地考虑铜材质的线路与过孔的分布,对PCB上焊接的电子元件散热效果的影响。

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▲ECAD导入后的PCB模型

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▲对于线路和过孔的考虑

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▲PCB各层layer根据ECAD计算的导热系数

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▲可编辑修改ECAD中对layer与via的数据

与此同时,我们还需要考虑PCB线路的焦耳热产生的影响。


对于电热耦合的焦耳热计算,传统方法是利用3D实体来计算(例如母线Busbar)。但是由于PCB布线的几何相当细小,而且焦耳热的计算在导体边界对网格均一性要求较高,使用传统方法计算焦耳热时需要生成大量的网格,并且对于较细小、形状复杂的布线网格的质量控制较难。

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▲对PCB线路进行实际网格的划分需要大量小尺寸网格

传统的计算方法不但需要大量的计算资源,还拉低了仿真计算的效率。因此,针对PCB线路的焦耳热,我们可以使用SIwave-Icepak耦合的方式去计算。

■ SIwave能够对PCB上的线路加载激励条件进行DCIR drop计算,获得不同工况下PCB上各层布线的焦耳热分布。

■ Icepak利用焦耳热分布数据的映射进行进一步的板级热仿真,评估在不同的工况下,PCB上铜线的焦耳热和电子元件发热共同作用时的温度分布状态。


在ANSYS SIwave中输出基于计算网格的焦耳热功率分布数据,在Icepak中使用Block或者PCB Objects,以SIwave Profile的方式导入,功率数据将直接映射并插值到Icepak的计算网格之中(相比于之前在Icepak中使用2D heat source构成power map的方式,这种方式几乎不怎么占用计算资源。)。

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▲SIwave

焦耳热功率分布

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▲Icepak中的焦耳热分布

(集中区域)


双向耦合方法

常用导电材料的电导率——以铜为例,会随温度的改变有较大的变化,继而会产生焦耳热功率的变化。

单纯的单向耦合计算无法考虑到温度对材料物性的影响会与真实状况有较大差异,因此在这一方面我们可以用双向耦合的方式来解决这个问题。

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▲铜的导电率随温度的变化s1= s2/ [1 + a * (T1–T2)] (a= 0.0040)

Icepak-SIwave的双向耦合可以通过手动进行文件输入输出的方式实现,也可以使用Icepak中已开发的宏来自动进行迭代。


SIwave输出功率分布数据给Icepak,Icepak再将进行计算之后的温度场反馈给SIwave,以此来更新该温度分布下线路材料的导电率分布。一般来说,这样计算迭代3到4次将会得到耦合计算收敛的结果。

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▲Icepak-SIwave双向耦合迭代宏

通过耦合迭代的结果,我们能够明显看出:铜线的导电率随温度降低而发生变化,继而导致发热元器件与局部PCB温度上升。

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▲三次迭代中温度的变化云图,能够看到PCB线路的发热与周围温度互相影响的结果。(本次case中在双向迭代与否对比时最高温度有9.9%的差异存在)


总结

板级的散热可以通过以上方法来进行仿真模拟,利用ANSYS Icepak-SIwave的双向耦合技术可以完整考虑到PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,并且能够快速得到与真实情况最为相近的结果用于评估发热。

■ 当然,我们也不排除在研发前端没有EDA文件,只能等效近似地去做热仿真的情况,但是在后期设计完成时,也是一样可以利用此方法进行详细的验证工作。

■ 同样的,在Icepak中封装也可以用类似的方法进行详细的建模仿真,在这里就不多加介绍了。


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作者:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师本文共计1559字,阅读时间预计5分钟编者按在ANSYS LS-DYNA中,经常遇到Sliding Energy异常,作者在本文中分析了计算模型常出现的2种情况——初始穿透导致的Sliding Energy异常和由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常,并给出了对应的解决方法。问题提出负的滑移能存在2种情况:■ 第一种情况:GLSTAT中的滑移能在初始状态就出现负值,如图-1所示。▲ 图-1 第一种能量异常图■ 第二种情况:CAE工程师在利用ANSYS LS-DYNA进行计算时,很多时候会碰到图-2所示的状况,严重的能量不平衡。内能、滑移能在计算前期表现还算正常,但是到计算后期,内能、动能、滑移能严重偏离,导致整个模型能量异常,计算结果不可信。▲ 图-2 第二种能量异常图解决方法第一种情况的解决方法(初始穿透)在仿真模型中出现初始穿透,导致初始的滑移能为负值。仿真穿透模型如图-3所示。产生机理:LS-DYNA在进行接触搜索时,发现存在网格穿透问题,需要把穿透部分的节点移到不穿透的位置,这可以在LS-DYNA软件中设置。如图-4所示,当把初始穿透清除后,其滑移能和整个模型能量表现正常(如图-5所示)。▲图-3 存在初始穿透模型▲ 图-4 清除初始穿透模型▲ 图-5 第一种能量正常图初始穿透解决方法有以下几种① 手动调整单元节点  在进行模型网格划分和设置零件厚度时必须确认是否存在干涉,即必须考虑壳单元的接触厚度。如果发生穿透,可以从计算出的message或d3hsp文件中对关键字“initial penetrations”进行搜索,找到相关单元,然后调整单元节点,消除初始穿透。在一些专门的前处理软件中,例如ANSA,HYPERMESH、SpaceClaim在提交计算前对模型进行...
2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动物体、高速、尺寸变化、相变和热交换,并解决更大规模物理系统的问题。例如,一家能源生产商对油水重力分离器进行了模拟,网格总数超过10亿个单元。除了石油和天然气,化工、电力、汽车、航空航天和海工装备等工业领域也在更多地应用多相流模拟。例如,泳装生产厂商Speedo应用多相流模拟优化护目镜设计。相比于游泳者体型,液滴尺寸非常小,护目镜模拟需要高精度网格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10个网格单元解析计算,进而导致网格总数急剧增加。▲ Speedo应用多相流模拟设计高性能泳镜,由Speedo提供。多相流仿真案例分享:全自动洗碗机为了优化全自动洗碗机的能量使用效率和用水量,工程师运用多相流和多物理场模拟多种流型变化:从旋转臂上的喷嘴喷出的射流、射流飞溅在餐具上形成水膜、液膜或水滴从餐具上滑落以及旋转臂下的积水过程。他们使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模拟了水喷射流以及液滴从旋转喷射臂到餐具的完整运动过程。■ 拉格朗日液膜模型准确模拟了喷射水流冲击餐具形成薄膜的过程,并可计算薄膜厚度、覆盖率以及其受喷射臂设计因子的影响。■ VOF模型用于模拟重力引起的流动以及液膜和液滴滑落到洗碗机底部积水池的过程。■ 蒸发和冷凝模型模拟了干燥过程。全自动洗碗机的多相流模拟只是其完整的多物理场系统仿真的一部分,完整仿真流程还包括:ANSYS SpaceClaim快速创建...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水,工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中,每一种仿真都需要不同的建模方法。40多年来,ANSYS开发了可以精确模拟多相流的仿真工具,已经被广泛运用在各个工业领域,以预测产品性能。精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测,但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在,工程师可以依靠多相流建模与仿真技术,深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。■ 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如,油气井底的流型可能完全是单相液体,但随着高度升高,气泡逐渐生成,流型会过渡到多相状态。因此在此类物理过程中,在不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。■ 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性,各相之间的合理模拟变得至关重要。▲ 油气井底部可能完全充满液体,但在上升过程中,压力下降,由于溶解气体析出,流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。自由表面流自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体,每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动...
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