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FloTHERM Basic Training Xu Lei (徐磊 ) Mechanical Analysis Division Mentor Graphics - Mechanical Analysis Division（ MAD）介绍 2 Mentor Graphics MAD， 即过去 Flomerics公司， Flomerics是成立于 1988年的全球第一家专业从事电子散热仿真的公司 总部： 英国伦敦 研发中心： 伦敦、波士顿、硅谷 圣迭戈、法兰克福、 布达佩斯、莫斯科、 班加罗尔 分公司： 英国、美国、俄罗斯 匈牙利、法国、德国 意大利、瑞典、日本 中国、印度、新加坡 代理商： 以色列、韩国、日 本、台湾、澳大利 亚、巴西 Mentor Graphics MAD 主要产品 散热仿真软件 嵌入 CAD的工程流体动力学 /传 热仿真软件 -FloEFD 高级热测试仪 3 Contents L1 Introduction of Electronics cooling L2 Basic theory of CFD L3 Introduction of FLOTHERM L4 Basic theory of using FLOTHERM to do simulation L5 Build, solve and analyze a simple case L6 Model popular electronics component L7 Do a good grid L8 Diagnose solution Problems L9 Import your CAD model to do CFD simulation Contents Contd L10 Model refinement L11 Further refinement: solid temperature L12 Extending the solution domain and tools for grid L13 Cooling techniques: fans and heat sinks L14 Introduction of command center L15 Introduction of IC package L16 Build a detail or compact chip model L17 Do a good post process L18 Use FLOTHERM to optimize your design 电子设备的发展趋势 6 1. 热耗上升化 2. 设备小巧化 3. 环境多样化 过热 -电子产品故障的首要原因 7 (Source : US Air Force Avionics Integrity Program) Figure 2: Major Causes of Electronics Failures 图 2：电子产品故障主要原因 资料来源：美国空军航空电子整体研究项目 55%温度 20%振动 6%粉尘 19%潮湿 Figure 1 : Junction Life Statistics (Source : GEC Research) 图 1：结点寿命统计 故 障 率 （ 10 万 小 时 ） 资料来源： GEC研究院 发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大 问题之一 ( 强度与振动、散热、电磁兼容 ) 热设计的基本要求 满足设备可靠性的要求 满足设备预期工作的热环境的要求 满足对冷却系统的限制要求 8 热设计工程师 与 EE, ME, Layout等项目 相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并 降低成本 了解散热性能的方法 实验研究 优点：直观，可靠 缺点：昂贵，周期长 数值仿真 (CFD) 优点：周期短，成本低， 限制：数学模型的适用程度 9 了解散热性能的数值方法 : CFD (Computational Fluid Dynamics) 仿真的基本思想 CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续 的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值 的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于 这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后 求解代数方程组获得场变量的近似值。 10 1D 2D (1,1) (0,1) (1,0) (2,1) (1,2) f1 f2 f3 f4 3D 热仿真基本理论 -传热的三种基本方式 导 热 Fourier 定律： 对 流 Newton 冷却定律： 辐 射 Stefan-Bolzman 定律： 11 cQ = - A T Q = - h A Th 4412Q = A ( T T ) 热仿真基本理论 -控制方程 能量守恒方程 动量守恒方程 质量守恒方程 12 0u v wt x y z T p p p T u T v T w T T T T St x y z x c x y c y z c z T1 m1 T2 m2 Hot component Q uu u u u v u w p u u u St x y z x x x y y z z 1 2 p1 V1 p2 V2 速度大，则压力小，速 度小，则压力大 1 2 V1 A1 V2 A2 A1 V1 = A2 V2 FLOTHERM 软件介绍 全球第一个专门针对电子散热领域的 CFD软件 通过求解电子设备内外的传导 对流 辐射，从而解决热设 计问题 据第三方统计，在电子散热仿真领域， FloTHERM 全球市场占有率达到 70% 据我们的调查， 98%的客户乐意向同行推荐 FloTHERM 13 FloTHERM软件主要模块 14 FloTHERM 软件 FloTHERM 核心热分析模块 1. 简单的建模方式：节省建模时间 2. 笛卡尔网格：加快计算速度 3. 集成的经验公式：加速计算并保 证准确度 Visual Editor 结果动态后处理模块 1. 简单的操作：节省后处理时间 2. 丰富的结果表现形式：方便项目 人员的协作沟通 Command Center 优化设计模块 1. 先进的优化算法：保证优化结果 的可靠性 2. 目标驱动的自动优化设计：减少 工程师的工作量 FloMCAD.Bridge CAD软件接口模块 1. 支持多种模型格式：适用范围广 泛 2. 方便的操作：缩短建模时间 FloEDA EDA软件高级接口 1. 支持多种 EDA格式：方便电子工 程师与热工程师协同工作 2. 包含走线、器件参数、过孔等详 细信息的模型读入：保证模型准 确性 3. 准确的模型简化方法：保证结果 准确度的同时减少计算时间 FloTHERM.Pack 标准 IC封装模型库 1. 丰富的 IC模型：方便下载以减少 建模时间 2. 欧盟资助的生成模型算法：保证 模型准确度 FloTHERM使用流程 15 Pre-Processing Modeling Meshing Boundary conditions Initial conditions Sources Material properties Physical models Solver Monitoring FloTHERM使用流程 16 Post-Processing Temperature Profile Speed Vector Command center 优化 Different Cases Solve Progress A simple case FloTHERM基础介绍 FloTHERM仿真的基本操作和流程 电子设备常见原件的建模 网格划分 求解监控与后处理 17 FloTHERM用户界面介绍 18 Project Manager 项目管理器 提供树状结构的几何体和模型数据管理 Drawing Board （模型）绘图板 提供创立和修改几何模型的简易界面，面向 对象的建模技术，专业针对电子热分析的参 数化模型，完全三维 CAD风格 FloTHERM用户界面介绍 19 Table 数据表窗口 提供输入输出参数的数据表输出 Visual editor 图形输出窗口 提供结果的图形动态输出 FloTHERM文件结构 20 库文件区 项目文件 索引文件 FloTHERM文件结构 21 首先 FLOTHERM软件借助四 个目录管理文件管理每个项 目文件 千万别去尝试去修改项 目文件中名中的数字串 项目文件夹 定义一个新项目 定义项目名称 定义散热环境以及散热方式 定义求解域 22 机箱的建模 薄壁设置 不考虑平面方向的热传导 薄还是厚？ 各面单独定义： 厚还是薄？ 开口不开口？ 薄壁设置 厚壁设置 厚壁设置 24 滤网、通风孔、打孔板的建模 尺寸 孔的形状与大小 孔的间距 直接定义开孔率 2 2v fp 25 风扇的建模 定义风扇旋转 模拟风扇失效 风扇功耗 Gv p Gvmax p0 风扇的工作点 系统阻抗 26 PCB板的建模 PCB SmartPart 不考虑平面传导的薄板模型 全面考虑三个方向的热传导 直接确定含铜量 直接定义重量 分层定义含铜量 各向异性的立方体 27 芯片建模 搭建几何结构（复杂程度随考虑细致程度变化） (简单 ) (复杂 ) 双热阻模型（较简化） 热阻网络模型（较复杂） 28 Top inner Top outer Physical Leads Leads Junction Bot inner Bot outer Stand-off Stand-off Side C J B Rjb Rjc 散热器的建模 29 导热胶与导热垫片的建模 30 导热胶与导热垫片的建模 31 方法一 用薄板建模 方法二 定义表面热阻 方法三 软件自带数据库 材料定义 32 材料定义 33 2)使用库； 1)直接定义； 功耗定义 34 固定温度 固定热流量 固定总功耗 焦耳发热 体积 面积热流 热功耗随温升变化 热功耗随时间变化 Thermal Attribution Thermal Attribution 设定监控点 35 Step1：选定要监控的元件 Step2：点击 monitor point 监控点生成，默认位置为选 定元件的几何中心 也可以不选择元件，直接建 立监控点并把位置设置到关 心的地方 网格定义 36 36 求解器设置 37 设置求解方式 设置迭代次数 附加选项 错误检查与初始化 错误检查 Error： Data error interrupting solution Warning： flags set up problems such as incorrect location of boundaries, e.g. a fan detected inside a block Information： purely informational, e.g. object encountered outside the solution domain 初始化 38 收敛监控 39 残差曲线 监控点 后处理 -Table表格 40 后处理 -Visual Editor图形化结果输出 41 FloTHERM项目的导入导出 42 可以导入导出的项目 (Project)文件 PDML文件 : 只包括模型文件 ,不包括计算结 果 Pack文件 : 包括计算结果的模型文件 可以导入导出的部件 (Assembly)文件 Assembly PDML： 只包括模型的某部件模 型 Project PDML： 包括整个项目模型及 其网格、求解设定 Other Issues Mesh Improvement Import Models Introduction of command center Introduction of Library 43 Mesh Improvement 44 网格的密度增加，能得到更为详细的解。 代价： 内存使用量 计算时间 目标： 网格独立解 网格局域化 45 选中某物体 加网格约束 局部化 支持多层嵌入式网格 ,可以进行不 限层数的局部加密。 Import EDA Models 46 完全兼容业界通行的 IDF格式文件 支持 EDA软件： IDF2.0 IDF3.0 CADENCE MENTOR GRAPHICS ZUKEN PowerPCB等等 大大简化复杂 PCB模型的建模 Import CAD Models 47 FLO/MCAD ACIS (SAT) FLOTHERM IGES STL SAT STEP ProE - prt asm CATIA SolidWork 双向的导入 导出 Introduction of Command center 48 DOE (Design on Experiments) 实验设计 由软件或用户安排 N种设计方案 ,软件自动进行包 括模型生成、网格划分和求解的批处理 SO(Sequential Optimization) 自动顺序寻优 用户给定可变参数区间和优化目标权重，软件自动 寻找最优方案 Command Centre 运用两者的结合 两个优化量，一个二维的变化 区间 无数种方案 首先找出 N种 DOE方案 ,达到最优 覆盖率 进行 DOE计算，找出 DOE最优解 从 DOE最优解出发，寻找 SO最优 解 最后找出局部最优解 DOE SO SO DOE FloTHERM Library 49 库内容： PC机箱 芯片库 PCB库 风扇库 滤网，打孔板库 散热器库 接触材料 (导热垫片 ) 材料库 网格 流体 工况 辐射属性 阻尼 热源 瞬态函数 计算模型 支持双向的导入导出 www. .com -基于互联网的 IC封装数据库 50 51 在预定义的菜单式界面输入简 单的最基本数据（如：管脚数 目、外形尺寸、热功耗），快 速生成一致的模型 可详细定义更多封装内部结构 数据获得特殊封装模型 提供可靠的精确模型和简化模 型（与环境无关） www. .com -基于互联网的 IC封装数据库 全球主要散热技术和产品供应商 全面支持 FLOTHERM软件 52 - 全球 FloTHERM软件用户 的免费数据库 本网站由 Flomerics公司创建并邀请各大散热产品供应商不断更新仅用于 FLOTHERM与平台的原件模型 各大散热产品厂商各自的网站上通常也有 FloTHERM仿真模型库 Cases of Alcatel-sbell NALT-E NPOT-B 53 Thanks! 54 Mentor Graphics Mechanical Analysis Division 中国代表处 中国 上海 南京西路 555号 506/507室 电话： 021-62150596 62157100 Email: