Simcenter热仿真和测试解决方案有助于优化热管理

 

下一代手持设备的热设计必须同时考虑到舒适的触摸表面温度和关键内部组件的最大温度限制，同时还需满足工业设计要求。本文讨论了在平板设计中满足这些要求所面临的挑战。

 

使用Simcenter™ Flotherm™ XT创建平板电脑的热模型，帮助了解平板电脑在各种工作条件下的散热功耗。这些模型还将被用来进行参数化研究，来确定热量从内部组件传递到平板外壳的最佳方式，以便进行有效的散热。

 

01 散热功耗

 

平板电脑运行应用程序的能力日益提升。这要求设备以更小的尺寸提供更好的性能，给热设计带来显著挑战，尤其是考虑到被动散热也是一个必要条件的情况下。已经有多项研究专注于手持设备的散热挑战。

 

图 1 被动散热降低的散热功耗

 

图 1 显示了不同情况下流和辐射散热的散热功耗。在水平面25°C环境条件下，通过要求表面温度不超过41°C的触摸温度，计算得出了散热功耗。41°C是铝合金外壳的最高舒适触摸温度。

 

理论上，在设备悬在半空中，所有表面都发生热辐射和热传导的情况下（如图2所示），散热功耗为13.9W。当设备水平放置时，散热功耗为13.1W。当设备放置在水平绝热表面上时，热量只能从侧面和前表面传递，散热功耗降至7.9W（如图3所示）。因为用户将平板放在毯子或枕头上，阻止了来自背面的热量传递。这些数值确定了在静止空气中不同方向的情况下，平板可以散发的最大热量。

 

为了计算总功耗，做出了以下假设：平板尺寸为典型的180毫米×240毫米，表面温度均匀分布。在对表面辐射发射率进行保守估计为0.8的情况下，在环境温度为25°C时，辐射传热占总功耗的一半以上。

 

为了实现41°C触摸温度，需要仔细考虑设计参数。重要的是要尽可能使平板恒温，以最大化与周围环境的热量传递。平板的所有表面都尽可能高于环境温度，以最大化热量传递，同时不超过最高触摸温度。当表面不再用于热传递时，例如当平板放在毯子上时，保持在最高触摸温度以下的情况下，可以散热的功率量显著下降，因为热传递被阻止，无法从背面传递。

 

图 2  处于垂直位置的41°C等温平板

图 3 放置在绝热表面上水平位置的41°C等温平板

 

02 数值模型的价值

 

为了分析不同热管理技术的影响，使用Simcenter Flotherm构建了一个详细的CFD热模型。由于平板中主处理器的实际热特性数据未知，我们使用Simcenter T3STER™设备对处理器的热特性进行高精度的测量，以确定从处理器芯片到壳和PCB的热阻。它能够准确地获取处理器顶部和底部的热流。使用Simcenter T3STER生成的处理器热模型可以直接嵌入到Simcenter Flotherm中的平板热模型中。图4显示了平板内部的详细热模型结果。

 

Simcenter Flotherm XT中的自适应网格技术可以跟随组件的小面细节，准确捕获表面的对流和辐射热传递。

 

图 4：在Simcenter Flotherm XT中创建的PCB的详细模型

 

03 降低热区温度
 

由于目标是保持触摸温度在或低于41°C，高导热散热器将对设计产生重大影响。工程师们进行了一些参数研究，以确定采用具有不同热导率的材料制成的外壳背面的效果。结果展示在图5中，并在图6中以图形方式总结。该研究假设每个仿真功耗相同，唯一更改的参数是外壳的热导率。在参考区域，大多数塑料的典型热导率在0.2 W/mK的范围内，而铝接近200 W/mK。

 

图5 背面热区温度随外壳热导率而变

 

图 6 外壳热导率对温度的影响

 

铝的热导率约为塑料的1,000倍。在平板外壳内部提供高导热的散热器，或者使用高导热材料制成外壳本身，可以实现热点温度的降低。最大触摸温度也受外壳热导率影响。随着热导率的降低，最大舒适触摸温度会上升。

 

举例来说，如果外壳由热导率在0.2 W/mK范围内的塑料制成，用户感觉到的外壳温度似乎比铝外壳的温度要凉爽，因为塑料热导率低，导致在外壳和皮肤之间传导的热量较少。由于外壳的表面尺寸比厚度大非常多，弱化了厚度方向因导热系数低带来的不利影响，与铝外壳相比，对空气的传热并没有显著减少。当然，这是基于热量已经通过高导热的铝板或石墨板在内部充分传递。

 

04 推导处理器的热模型

 

在构建平板的热模型时，难点是不能高度准确地获取处理器的热特性。由供应商提供的数据可能无法准确反映界面材料的热阻和处理器芯片或盖板与散热器之间的材料润湿特性。

 

为了克服这一限制，并获得处理器的准确热模型，可以使用Simcenter T3STER来确定从处理器芯片到盖板或散热器以及PCB的热阻。Simcenter T3STER可以对封装器件的热阻路径进行动态热特性表征。

 

图 7 使用Simcenter T3STER测量的处理器和盖板的累积结构函数

 

结温的瞬态响应会以一条基于功率的阶跃输入的瞬态温度响应曲线被记录，并从瞬态温度响应中推导出结构函数，结构函数表征了热传导路径上每层结构的热阻信息。图7显示了Simcenter T3STER导出的处理器的结构函数。使用这种技术，从结到壳的热阻测得为0.23 K/W。

 

然后，将该处理器封装热模型应用于CFD仿真，可以进行数值实验，确定处理器结温随热传到路径中其他元素（例如散热器材料和尺寸、散热器与背壳之间的间隙厚度以及外壳材料）的改变而发生的变化。

 

本期结语

 

内部组件的散热功耗不仅受平板尺寸影响，还强烈依赖于热量在内部的有效传播，以减小热区温度。很少有工程师意识到平板裸露表面的散射散热的重要性；只有在进行精确的计算时，辐射在热设计中的重要性才变得明显。如果表面的辐射率很高，那么超过一半的热量传递到周围是通过辐射完成的。通过降低热区温度并使热量均匀分布，可以使总体热传递达到最大化，让所有表面通过对流和辐射提供最大热传递。

 

通过构建准确的热模型，使设计人员能够快速测试设计效果和材料变化的影响，避免多次物理测试带来的高昂成本和进度延误。相比于物理测试，热模型使热设计工程师能够研究更多的替代方案。经过精心的设计，能够更好地满足用户的期望，同时在激烈的竞争中占据优势。高质量的热模型加速了上市时间，并降低了开发成本。借助高精度仿真，可以减少或消除构建和测试热原型的中间步骤，唯一需要的是对生产样品进行最终热验证。

 

关于坤道

 

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌|专家（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、夹具定制和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。如果您对热仿真及热测试解决方案感兴趣，请与我们联系。

 

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