CFD在设计中的作用越来越大

随着热问题和热约束日益成为电子设计中不可或缺的问题，计算流体力学技术作为一种建模、分析、预测和理想地防止热问题发生的方法正在获得关注。

从冷却电路板到用风扇和散热器冷却芯片，所有这些都依赖于空气流动来冷却，或者在某些极端情况下依赖于液体流动。在所有情况下，流体冷却芯片。

该公司半导体业务部门的产品营销总监Marc Swinnen表示:“芯片能产生多少能量是一回事有限元分析软件他指出，“但它能达到什么温度取决于它的冷却环境。为了真正解决这个问题，需要CFD来模拟风扇、散热器，以及两个靠近放置的热组件是否会与分开放置的热组件不同。一旦你看到芯片上方一点的热环境，就需要CFD来模拟。”

CFD在更大范围的模拟中是一个重要的元素。“这真的很复杂。有很好的数学模型，所以CFD是建模的理想选择。”“传统上，飞机都是在风洞中设计的。你做了一些东西，试了试，摆弄了一下，然后再重建。现在，为了更早地发现问题，有一种模拟的方法。以高超音速导弹为例，这些导弹很难测试，所以需要进行模拟。”

图1:用CFD模拟气流。来源:有限元分析软件

洛克希德·马丁公司的F-35战斗机就是一个很好的例子，因为它有一个允许垂直起飞的发动机。“这是一个工程奇迹。节奏．“当你看到它的时候，你会觉得这东西不可能飞起来。这是一个如此复杂的系统，但同时你又会说，‘它当然能飞，因为它的设计就是这样的，’因为在飞机面板后面的某个地方，在下面，有一盒电子设备。”

还有很多关于气流的模拟。Chawner说:“CFD依赖于Navier-Stokes方程来观察流体的流动，在这种情况下是空气。”“EDA和CFD在热力方面有重叠。电子产品会发热。你的手机发热。你的笔记本电脑发热。数据中心变得越来越热。为了冷却它们，你有几个选择。你依靠空气的自然对流，热量上升。或者你在某个地方放一个风扇，它会吹出凉爽的空气。 But it has to blow in the right places, in the right way, with the right force. And so, from a simple standpoint, the cooling of the electronics once they’re in an enclosure is the intersection of those Venn diagrams. Then it becomes a very interesting discussion.”

除了航空航天，CFD在汽车领域也有重要应用。就电动汽车而言，电动机比内燃机要安静得多，最大的噪声源之一是侧后视镜上方的气流。Cadence汽车解决方案总监Robert Schweiger指出，可以使用CFD来设计后视镜，使后视镜上方的气流噪声降到最低。

CFD还可以通过设计阻力更小的车辆来延长电动汽车每次充电的续航里程。Schweiger说:“除了价格，购买电动汽车最关心的是续航里程。”“续航里程需要超过400公里或300英里，因为充电需要相当长的时间。这意味着你的旅程中又多了一站，通过优化空气动力学，续航里程可以显著提高。在这里，CFD将在优化汽车空气动力学方面发挥重要作用，这将对续航里程产生积极影响。”

CFD在车辆内的冷却系统中也发挥着作用。Schweiger说:“对于内燃机来说，热问题是当你在交通堵塞中停下来时，因为你需要冷却你的发动机，你需要有各种各样的冷却系统。”“电动汽车的挑战在于充电过程。CFD可以用于空气动力学，也可以用于冷却系统来模拟水流以及它是如何冷却系统的。它可能是某种转换器。对于电池，将会出现新的概念，你有你的电池组，当你使用增压器时，你从电池顶部喷水。然后，如果下面有一个水箱，它会再次把液体抽上来，然后喷下去。这是一种冷却电池的方法，最终将有助于提高电池的生命周期。此外，从理论上讲，如果你把电动汽车开到赛道上，电池会变得非常热，所以对于性能优异的汽车来说，需要特别的热工作来冷却电池，确保它没有达到一定的温度范围，这最终会降低汽车的性能。对于所有这些应用，从涡轮机械到冷却系统和流体动力学，CFD都用于模拟和优化。”

先进的包装驱动CFD的使用
计算流体力学技术也受到越来越多的关注摩尔定律减慢。芯片制造商正在利用新的和日益异构的架构，而不是扩展，包括在一个芯片中多个芯片高级包．2.5D或3D封装内的堆叠模具极大地增加了散热的挑战，这可能会导致从加速和不均匀老化到不同组件和材料热不匹配引起的机械应力等问题。

Simcenter产品组电子和半导体总监John Parry指出，热驱动芯片-衬底-封装相互作用可能是重要的，其成功管理是确保可接受的可靠性的关键西门子数字工业软件．根据功能的不同，模具可以用不同的基材制成——硅、硅锗、砷化镓等，中间体由硅、玻璃、陶瓷或有机材料制成。当加热时，这些不同的材料根据它们不同的热膨胀系数以不同的速度膨胀。半导体是非常坚硬的材料，不容易弯曲。当结构发生弯曲时，不同层之间的材料会受到剪切应力，这可能会破坏电气互连。整个封装的膨胀和弯曲也会影响到与板的互连。”

为了确保可靠性，系统集成商和osat需要了解其应用环境中整个封装结构的3D温度分布。整个封装的温度分布取决于热量从封装到电路板的位置和方式，以及任何附加的冷却解决方案，如散热器或冷水机组块。这些热流路径相互作用，所以对设计的任何改变都会影响各处的热流。CFD对于预测整个系统的热流，从而预测整个包装结构的热流至关重要。

Parry指出，从技术上讲，CFD主要是一种进行精确热模拟的使能技术，因为它可以准确地预测表面由于对流和热辐射而产生的传热速率。“多年来，我们的重点已经从系统封装层次向下移动，从盒子，到PCB/板，IC封装，现在又下降到模具级别。准确性要求也提高了。需要对传导、惯例和热辐射进行全面模拟，并为组件、PCB和任何组件安装的散热器或散热器提供准确的热模型。”

是什么改变了?
由于CFD在电子设计过程中的早期应用，它最近才被广泛讨论。它现在是EDA设计流程的一个重要方面，例如关闭pcb中的电力输送网(pdn)。“在应用环境中，CFD模拟板的温度可以反馈到电力完整性工具中。然后将更新的功率信息发送回CFD软件，重复这一过程。经验表明，要实现一致的功耗和温度，只需要重复两到三次这个过程，就可以让PDN设计有信心完成。”

此外，Ansys 5G和空间项目总监Shawn Carpenter表示，CFD正在应用于以前可能没有想到的领域。“CFD是热效应建模分析链中不可分割的一部分。你是怎么散热的?你需要能够模拟流体。空气是流体。您需要能够对被动冷却方法和主动冷却方法进行建模。你可能有一个用于基站电子设备的强制空气风扇——一个基带单元或一个控制平面单元。你必须把热量散发出去，如何做到这一点可能需要有足够的余量让这个装置可以在西伯利亚或死亡谷工作。需要设置加热装置，这样当你在大量用户的情况下以高容量运行时，就不会烧毁电子设备。”

cfd还被用于模拟在传热过程中如何将热量从设备中释放出来，并被用于5G基站建模，其中天线连接到塔上。

“他们把它们放在塔上或建筑物的侧面，”卡彭特说。“要做到这一点，你必须了解该设备将要进入的风载荷场。两个5G塔以及回程单元(具有高度定向天线继电器的无线链路)都发生了一个有趣的效应，当它们暴露在强风中时，它们会在风中摇摆，杆子会产生共振。你需要将风场的流体动力学与安装它们的塔的机械结构分析结合起来，然后了解安装结构中需要什么样的工程。它们可以通过对安装支架进行拓扑优化而变得更轻吗?我们帮助一家5G设备供应商减轻了天线安装支架的重量，这使他们能够在同一座塔上安装更多单元，而不必加固塔或建造新的塔。用CFD，我们可以这样看。它将热分析与优化这些系统的工程结合起来。”

图2:了解系统中的热量至关重要。它会影响可靠性、老化以及整体性能和功率。来源:有限元分析软件

应用计算流体动力学
随着2.5D和3D组装技术的普及和普及，Parry预计热和热机械问题将继续增长，并向航空航天和汽车等安全性和可靠性至关重要的其他行业扩展。“热设计的价值随着在设计过程中的早期使用而增加。当将多个模具/芯片集成在一起作为一个异构集成包时，有多个可用的组装选项需要进行探索/评估，而不可行的配置将被排除在外。这就要求在设计数据有限的早期阶段，采用和使用预测分析来构建性能原型。其目的是在将大量资源投入到详细设计工作之前，指导开发工作并确保所选装配选项具有令人满意的性能。如果做得好，这可以确保在资源承诺和相关成本更高的情况下将返工最小化。”

在系统层面上，另一个有趣的趋势是使用降阶热模型，该模型由CFD工具集创建，以提高原理图捕获期间的功率估计。他说:“这些模型可以支持广泛的热环境，精度高，求解速度快。”它们有多种格式可供选择，包括VHDL-AMS，因此非常适合在电路模拟器中进行电热模拟。这一趋势使基于cfd的技术进一步提升了电子设计流程，领先的组件供应商认识到提供此类模型来帮助客户设计活动的优点。”

其他人也同意。“随着电路变得越来越小，密度越来越大，设备也变得越来越小，密度越来越大，这很好，因为我们提供了各种各样的价值，但与此同时，我们也创造了热挑战和包装挑战，”Chawner说。“所以这变成了一个材料挑战，因为你最终不得不处理并更好地理解一些事情，比如材料在热负荷下如何弯曲，它们如何随着时间的推移而疲劳，比如笔记本电脑的开关。这意味着，随着CFD和其他技术(如数字双胞胎)的应用，我们可以开始研究联合模拟，在那里我们可以预先做到这一点。如果我们看一下这个大概念数字双我们可以将所有这些技术结合在一起，以确保在物体或设备的整个生命周期内，我们能够预测这些问题，并在未来处理它们，而不是试图立即解决所有问题。”

事实上，他指出，美国空军正在进行一些采购。“他们在设计下一代战斗机时知道，大约每五年他们就会进行一次升级和更新，更换航空电子设备，更换其他组件。如果你把它建立起来——这可以通过数字孪生过程来实现，无论是电子产品、飞机还是汽车——当我们把这些设计推向未来时，所有这些工具都可以用来解决这些问题。只要我们建立了这些技术，它们都是分层的，相互连接的，它们都可以交谈和共享数据，那么在未来的任何时候，做这些类型的模拟和研究，并预测意想不到的事情就会变得更容易。它可以让你监控损坏或磨损的东西。它可以让你预测什么时候需要大修和更换，以及什么时候需要刷新。所以，这是一个更大的计划。”

CFD和EDA只是其中的一部分。

“这是固体力学，”Chawner说。“这是空气声学，也就是说，噪音会反弹回来，因为你有小型电子设备。你把它们放在一个盒子里，你得让它们保持凉爽。你必须移动大量的空气，这意味着你必须安装一个以高转速转动的风扇。你猜怎么着?这是吵了。所以所有这些都必须作为设计的一部分综合考虑，包括CFD。它有很多不同的应用，但共同的方面是能源生产或发电，而另一个方面是最大限度地减少能源使用，并尽可能地收集能源。在某些应用中，你想要最小化所需的功率，尤其是电动汽车，这是CFD发挥作用的另一个地方。这是一种综合的方式来看待一个系统的整体物理，而不是孤立的，因为你是一个专家。 Look at the engineered device as a whole. And I say that as though it’s easy. It’s not.”