从“经验试错”到“一次做对”：热设计仿真助力产品研发设计

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211、985硕士，从业16年+

从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。

熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。

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电子产品的散热问题日益严峻，据统计，过热是电子产品失效的首要原因。随着电子产品热耗上升化、设备小巧化、环境多样化，热设计的要求愈发严格，产品热设计在整机中所占据的成本比重迅速增加。

在传统行业中，如航空、核能、汽车等，电子产品的热设计受到安全性和可靠性的严格要求，关注重点是降低元器件温度，留出充分的安全裕量，设计值往往低于其额定值以延长产品使用寿命。

面对这些挑战，热仿真将起到很好的辅助设计作用。热仿真就是通过计算机仿真技术，建立一个接近实际系统的模型，利用物理热力学原理及物质热属性来分析研究系统 (产品) 的热学特性的仿真实验分析。

本期给大家带来的是关于热设计仿真加速、缩短设计周期的意义与路径、散热优化设计方法研究内容，希望对大家有帮助。

一、热设计仿真的重要性与挑战

热设计对于电子产品至关重要，随着电子产品功耗增加、尺寸受限，散热问题凸显，热设计效率成为企业核心竞争力。但热传递受多种因素限制，热设计面临诸多挑战。

热仿真对热设计的指导主要体现在确定散热方式是否合理、对不同的散热方案进行筛选选取最优方案、优化结构以及散热部件的选型等方面。

以最恶劣的工况和参数来进行仿真，以最恶劣的仿真结果来评判温度是否合格，从而覆盖一些误差和不确定性，为热设计保留一定余量，再通过实测结果来微调。

二、加速热设计仿真的方法

（一）软件选择与应用

在FloEFD热仿真设计中，通过简化建模、设置仿真精度及调整参数进行设计能够有效提高仿真速度。

FloTHERM 等电子散热软件具备快速建模、网格剖分、求解计算和后处理等功能，可缩短产品设计周期。

电子散热仿真分析软件 FloTHERM 采用计算机流体动力学技术，对系统在层流、湍流或过渡态状态下的导热、对流及辐射情况进行求解，获得系统流动传热的参数分布。

在产品设计的最初期，工程师就可以利用它创建虚拟模型，对多种系统设计方案进行评估，识别潜在的散热风险，规避样机试制风险，减少重复设计，缩短开发周期，降低成本。

FloTHERM 软件配有专门针对电子散热行业的自动网格划分技术，可以确保工程师在网格设置上投入的时间远远低于其它软件，解算时占用的内存和 CPU 资源都比其它软件少四分之三以上。

（二）设计优化

选材：选用热阻小的板材、多层板结构等。

在选材方面，印制板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超过 125℃。特殊情况下可选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。

采用多层板结构有助于 PCB 热设计，因为多层板可以提供更多的散热路径，提高散热效率。

保证散热通道畅通：利用元器件排布、散热通孔等技术。

充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通道，保证热量顺利导出 PCB。

例如设计一些散热通孔和盲孔，可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。

在器件的焊盘上设立导通孔，在电路生产过程中焊锡将其填充，使导热能力提高，电路工作时产生的热量能通过通孔或盲孔迅速地传至金属散热层或背面设置的铜箔散发掉。

元器件排布合理：避免大功耗器件集中，使传热通路短且横截面大。

板面热容量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放，如无法避免，则要把矮的元件放在气流的上游，并保证足够的冷却风量流经热耗集中区。

使传热通路尽可能短，传热横截面尽可能大。元器件布局应考虑到对周围零件热辐射的影响，对热敏感的部件、元器件应远离热源或将其隔离。

布线优化：降低接触面热阻，多使用金属化过孔等。

根据器件电流密度规划通道宽度，特别注意接合点处通道布线。大电流线条尽量表面化，在不能满足要求的条件下，可考虑采用汇流排。

要尽量降低接触面的热阻，为此应加大热传导面积，接触平面应平整、光滑，必要时可涂覆导热硅脂。

散热铜皮需采用消热应力的开窗法，利用散热阻焊适当开窗。尽可能多安放金属化过孔，且孔径、盘面尽量大，依靠过孔帮助散热。

（三）高效热仿真分析方法

建立简化模型降低计算复杂度。

在进行热仿真分析时，可以采用简化优化仿真效率。针对模型结构太过于复杂，使得计算时间相对较长的情况，可以选择使用 简化，利用正交网格计算速度快的优势。

使用优化算法提高准确性。

可以使用优化设计模块如 FloTHERM 中的 Command Center 进行目标驱动的自动优化设计，可以进行温度场、流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计，包含 DoE（实验设计法）、SO（自动循序优化法）、RSO（响应面法优化法）等先进优化方法，提高热仿真的准确性。

采用并行计算技术提高效率。

支持多核平行运算的热仿真软件可以显著提高计算速度，减少计算时间，提高热分析效率。

例如 FloTHERM 软件支持多 CPU 或多核 CPU 的求解器升级，在多 CPU 或多核 CPU 的电脑上可以显著提高软件计算速度。

此方法可直接把CPU拉满，效果杠杠的！

三、热设计仿真加速的价值

（一）缩短设计周期

加快热设计仿真速度最直接的意义在于显著缩短设计周期。以电子设备行业为例，如今市场竞争激烈，产品更新换代速度极快。

传统的热设计方法往往需要多次样机制作和测试，耗费大量时间和成本。而通过高效的热设计仿真，可以在产品设计的早期阶段就发现潜在的热问题，并进行优化设计，避免了后期反复修改和测试的过程。

例如，使用FloEFD、 Flotherm 等软件进行热仿真，可以在几小时内获得复杂热设计方案的分析结果，工程师能够快速对模型进行修改和优化，大大缩短了产品从设计到上市的时间。

据统计，采用热设计仿真技术可以将产品设计周期缩短 30% 至 50%。

（二）降低成本

热设计仿真加速还能有效降低成本。

一方面，减少了样机制作的次数，降低了样机制作的费用。传统方法中，多次制作样机不仅耗费材料和人工成本，还可能因为设计变更导致浪费。

另一方面，通过优化设计，可以选择更合适的材料和散热方案，避免过度设计，降低材料成本。

（三）提高产品可靠性

快速准确的热设计仿真有助于提高产品的可靠性。通过热仿真，可以在各种恶劣工况下对产品进行模拟，提前发现潜在的热失控风险和散热问题，并采取相应的安全措施。

热仿真技术可以帮助深入分析电池的热耦合效应、热传导过程和热失控风险，为散热系统的优化提供有力支撑，提高产品的性能和寿命，保障产品的安全性。

同时，热设计仿真还可以为产品热设计保留一定余量，再通过实测结果进行微调，进一步提高产品的可靠性。