热设计热仿真及散热方案
技术团队来源于华为/中兴/富士康等头部企业,从事散热相关20年以上。
设计和方针经验丰富,有服务HP、IBM、SAMSUNG、ATI、INTEL等500强企业的经验。
支持定制化设计,擅长超小/密闭/特定场合的散热解决方案。
在电子设备的设计中,一直需要解决小型化、高效化、EMC(电磁兼容性)等课题,近年来,半导体元器件的热对策已经越来越受到重视,半导体元器件的热设计已成为新的课题。
由于“热”涉及到元器件和设备的性能、可靠性以及安全性,因此一直以来都是重要研究项目之一。近年来对电子设备的要求已经发生变化,因此有必要重新审视以往的方法。
什么是热设计?
半导体元器件规定了封装内部的芯片温度,即结点(接合部)温度的绝对最大额定值Tjmax。在设计时,需要对发热和环境温度进行研究,以确保产品的结温不超过Tjmax。因此,会对所有要使用的半导体元器件进行热计算,以确认是否超过了Tjmax。如果可能超过Tjmax,就要采取降低损耗或散热措施,以使Tjmax保持在最大额定值范围之内。简而言之,这就是热设计。
当然,在电子设备中不仅使用半导体产品,而且还使用电容器、电阻及电机等各种部件,并且每个部件都具有与温度和功耗有关的绝对最大额定值,因此,在实际设计时,组成设备的所有部件都不能超过温度相关的最大额定值。
在设计阶段进行良好热设计的必要性
如果在设计阶段没有认真地进行热设计并采取相应的措施,可能会在产品试制阶段甚至要投入量产时发现热引起的问题。虽然问题不仅限于热,但是越接近量产阶段,采取对策所需的时间越多,成本也越高,甚至会出现产品交货延迟,导致错失商机的大问题。最坏的情况是在市场中才出现问题,从而导致召回和信用问题。
尽管我们不愿意去想象热引发的问题,但热处理不当非常有可能引发冒烟、起火、甚至火灾等涉及人身安全的问题,所以,热设计从根本上讲是非常重要的。因此,从开始阶段就必须切实地做好热设计。
热设计越来越重要
近年来,对于电子设备来说,小型化和高性能化的要求已变得理所当然,也因此促进了进一步集成化。具体来讲表现为元器件数量更多,电路板上的安装密度更高,外壳尺寸更小。结果是导致发热密度显著增加。
首先需要认识到的是,随技术发展趋势的变化,热设计变得比以往任何时候都更加严苛。如前所述,设备不仅要求元器件日益“小型化”和“高性能化”,而且还要求出色的“设计灵活性”,因此热对策(散热措施)已经成为一个很大的课题。由于热设计有助于提高设备的可靠性、安全性并降低总成本,因而变得越来越重要。
除了散热本身,同时还存在噪音问题、散热系统的功耗问题,这些都需要根据实际的应用场景,采用合理的搭配,在做好散热的同时,能够有最高效率的能耗和使用体验。
如果您是老板,项目前期先进性热设计,可以大大节省研发人员的配置和投入;
如果您是项目经理,先进行热设计,可以确保项目按时完成,避免因热设计问题导致项目推翻重来或者部分组件开发拖后腿;
如果您是结构设计人员,加上热设计的配合,可以确保更高的成功几率,加快项目开发进程
如果您是市场人员,好的热设计,不仅可以加快产品的上市,抢得先机,更能创造卖点,赢得口碑(参考各手机厂发布会对于散热系统的浓墨重彩)。
关键要点:
1>简言之,半导体元器件的热设计旨在将半导体元器件的Tjmax保持在最大额定值内。
2>如果在设计阶段没有认真对待半导体元器件的热设计,那么可能会在试制阶段或投入量产之前出现问题。
3>越接近量产,对策所需时间越多、成本也越高,甚至会出现产品交货延迟,导致错失商机的大问题。
4>最坏的情况是投放到市场后才出现问题,从而导致召回和信用问题,因此半导体元器件的热设计从根本上讲非常重要。
服务内容:
艾为赛设计团队面向所有企业提供系统化的散热方案设计服务,帮助用户在产品设计初期即开始规划热管理方案及成本的问题,使用FloTHERM或ICEPAK等热仿真软件,给出热设计方案的仿真报告,并提供从前期热仿真模拟、结构设计调整建议、中期样品测试、后期生产服务全链条散热方案,资深热设计转接和热传产品制造专家全程辅导。
1>给出结构设计调整建议,包括风扇,壳体,热管,VC均热板,散热鳍片,风冷系统或液冷系统、热界面材料等选型
2>根据客户的实际应用场景、应用领域、性能要求等级,根据客户的3D模型、零部件参数要求,通过热仿真软件仿真模拟,给出相关的仿真报告
3>为储能电池、电机、机房、BGA类器件、CPU芯片、LED灯珠、IGBT模块、功放模块等提供自然冷却、风冷、液冷热、热电冷却等热管理系统方案。
热设计/仿真需要明确的参数信息
热设计和仿真,需要相对比较准确的参数输入。详见下面列表。如果有些参数不太确认,我们可以协助客户分析。
1>环境定义:环境温度,海拔高度,重力方向,室内或室外
2>安装方式:
3>尺寸信息:结构3D图纸,体积要求,长宽高要求
4>功耗信息:整机功耗,具体模块机及关键芯片热耗,以及其他所有发热元件功耗及位置
5>PCB布局:器件在PCB上的位置定义
6>相关规格书:器件热属性,热阻,尺寸等
7>材料信息:导热材料,机箱材料,表面处理等
8>散热方式:自然冷却,强迫风冷,液体冷却,热电冷却等,我们也可根据实际情况给出建议
热设计+结构设计,合作效率更高
很多项目在研发初期,散热方案还没有定下来的时候,结构其实也是很难定下的。特别是在高功率、多热源、户外、高原、极冷环境和极热环境、防水防风仿震、高速移动等环境极为苛刻的条件下的电子产品,热设计与结构设计相互影响,密不可分。我们也可以为您提供一站式的设计。
参考阅读:
热设计的目的和热设计的流程简介
常用的热力学热仿真软件有哪些?各自的特点和应用领域是什么?
热设计培训