一、概述

　　FloTHERM是一款強大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計的三維仿真軟件。在任何實體樣機建立之前，工程師就可以在設(shè)計流程初期快速并簡易地創(chuàng)建虛擬模型，運行熱分析以及測試設(shè)計更改。FloTHERM采用先進的CFD(計算流體力學)技術(shù)，預(yù)測元器件、PCB板以及整機系統(tǒng)的氣流、溫度和傳熱，如圖1所示。

　　不同于其他熱仿真件，F(xiàn)loTHERM是一款專為各類電子應(yīng)用而打造的分析工具，其應(yīng)用行業(yè)包含：

　　◎電腦和數(shù)據(jù)處理;

　　◎電信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);

　　◎半導(dǎo)體設(shè)備，集成電路(ICs)以及元器件;

　　◎航空和國防系統(tǒng);

　　◎汽車和交通運輸系統(tǒng);

　　◎消費電子。

　　FloTHERM以專業(yè)、智能和自動而著稱，區(qū)別于其他傳統(tǒng)分析軟件。這些功能可協(xié)助熱設(shè)計專家們將產(chǎn)能最大化，幫助機械設(shè)計工程師將學習過程減到最少，并為客戶提供分析軟件行業(yè)最高比率的投資回報率。

　　在中小型企業(yè)，一年時間，投資FloTHERM所帶來的收益就是投資成本的數(shù)倍，公司規(guī)模越大，成本回收的速度越快。用戶可以從以下方面體驗到使用FloTHERM解決電子熱設(shè)計問題所帶來的驚人利益：

　　◎生產(chǎn)硬件前解決熱設(shè)計問題;

　　◎減少重新設(shè)計工作，降低每單位產(chǎn)品成本;

　　◎增強可靠性和提高整體的工程設(shè)計程度;

　　◎顯著地縮短上市時間。

　　二、建模功能

　　1.SmartParts

　　FloTHERM軟件提供了專門應(yīng)用于電子設(shè)備熱分析的參數(shù)化模型創(chuàng)建宏(SmartParts)，能夠迅速、準確地為大量電子設(shè)備建模。SmartParts技術(shù)應(yīng)用范圍：散熱器、風扇、印刷電路板、熱電冷卻器、機箱、元器件、熱管、多孔板和芯片。

　　SmartParts器件凝聚了Mentor Graphics公司Mechanical Analysis Division 20多年來在電子冷卻建模領(lǐng)域的經(jīng)驗，旨在提高建模效率，最小化求解時間，并最大化結(jié)果的精準度。

　　主要功能包括：

　　◎SmartParts完整集群(參數(shù)化模型創(chuàng)建宏);

　　◎多級SmartParts器件(同一項目可提供簡約模型和詳細模型);

　　◎資源管理器樣式的項目管理器，配備拖放功能;

　　◎CAD風格、鼠標繪制圖板以及拖放功能創(chuàng)建和操作模型;

　　◎多重嵌入式局域化網(wǎng)格，在確保計算精度的同時大大提高計算效率和處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力;

　　◎模型庫包含數(shù)千種器件和基本形體的FloTHERM模型，如風扇、鼓風機、元器件、散熱器、材料和熱界面材料等;

　　◎與物體相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格模式使建模和網(wǎng)格生成一步完成。

　　2.智能的MCAD與EDA接口

　　FloTHERM擁有業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的MCAD和EDA(Electronics Design Automation，電子設(shè)計自動化)接口。FloTHERM不僅可兼容Pro/ENGINEER、Solidworks、CATIA以及其他主流MCAD軟件數(shù)據(jù)，還支持模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出。另外，F(xiàn)loTHERM的EDA接口不但支持EDA軟件的IDF格式PCB板模型導(dǎo)入，還可直接通過接口讀入Allegro、Board Station以及CR5000等軟件的走線、器件參數(shù)以及過孔等詳細模型。

　　3.網(wǎng)格

　　FloTHERM采用正交網(wǎng)格技術(shù)——當今最穩(wěn)定的高效數(shù)值求解網(wǎng)格技術(shù)，同時采用先進的非連續(xù)嵌入式網(wǎng)格和Cut Cell網(wǎng)格切割技術(shù)。局域化網(wǎng)格功能可在需要時進一步細化網(wǎng)格，將求解時間縮至最短。

　　FloTHERM軟件配有專門針對于電子散熱行業(yè)的半自動網(wǎng)格技術(shù)。FloTHERM網(wǎng)格與SmartParts緊密關(guān)聯(lián)，網(wǎng)格生成在FloTHERM中處理為建模的一個步驟，用戶可控制網(wǎng)格細化程度。該技術(shù)直觀簡潔，滿足了工程師專注于設(shè)計的需求。

　　操作傳統(tǒng)CFD軟件需要大量時間和專業(yè)技術(shù)，相反，F(xiàn)loTHERM網(wǎng)格生成快捷，網(wǎng)格質(zhì)量穩(wěn)定。同時，F(xiàn)loTHERM是惟一一款使用與物體相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)格模式的分析軟件，避免了模型修改時重新生成網(wǎng)格。

　　三、求解器和優(yōu)化設(shè)計

　　1.參數(shù)化分析和優(yōu)化

　　基于SmartPart的建模和結(jié)構(gòu)化笛卡爾網(wǎng)格使得FoTHERM模型可采用DOE試驗設(shè)計(Design of Experiments，DOE)技術(shù)。試驗設(shè)計是一種決定設(shè)計參數(shù)(如散熱器翅片個數(shù)和通風孔位置等)和結(jié)果(如元器件溫度和風扇流量等)之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)化方法。FloTHERM采用DOE技術(shù)后，在原始模型基礎(chǔ)上改變設(shè)計變量，求解大量不同參數(shù)的模型，有效地協(xié)助用戶探索廣泛的設(shè)計空間。這為對比不同設(shè)計參數(shù)模型的分析結(jié)果提供了重要信息，從而盡量減少需要求解的模擬模型，同時，這也為采用功能強大的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計法和順序優(yōu)化法奠定了基礎(chǔ)。DoE優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)用戶設(shè)計的方案，自動計算選優(yōu)。

　　FloTHERM通過計算所有相關(guān)結(jié)果的響應(yīng)面而擴展了這個優(yōu)化功能。響應(yīng)面法優(yōu)化(RSO)是從DOE結(jié)果中分離出來的數(shù)值方程，實時評估設(shè)計空間內(nèi)任意位置的熱設(shè)計方案。用戶可將實時二維和三維云圖與響應(yīng)面結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過滑動標尺設(shè)置設(shè)計參數(shù)數(shù)值。響應(yīng)面也完全支持用戶自定義成本函數(shù)的數(shù)學最優(yōu)化，不需要求解額外實例，就可評估最優(yōu)求解方案。

　　同時也可執(zhí)行成本函數(shù)的自動循序優(yōu)化(SO)。這種基于梯度的方法將對原始模型不同變量建立新模型并對之運行求解，這種方法能夠無誤地選出并確定最優(yōu)熱設(shè)計求解方案。循序優(yōu)化可幫助理解設(shè)計約束(如最高元件溫度)，并將這些信息包含在軟件自動選取的最優(yōu)方案中。如圖2所示。

　　2.求解器

　　20多年來，F(xiàn)loTHERM的求解器一直專注地為解決電子設(shè)備散熱應(yīng)用而打造。求解器基于笛卡爾網(wǎng)格系統(tǒng)，運算結(jié)果精確，單位網(wǎng)格之運算速度全球最快。針對大面積的不規(guī)則模型，F(xiàn)loTHERM采用“局域化”網(wǎng)格技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)Σ煌蠼庥虻脑g生成相互匹配、嵌套和非連續(xù)網(wǎng)格界面。針對電子系統(tǒng)內(nèi)部的熱耦合特性，目前FloTHERM采用了先決耦合殘差算法和靈活多重網(wǎng)格循環(huán)技術(shù)來處理這個問題。務(wù)實、獨特和精準的求解終端標準能夠快捷地生成的結(jié)果，滿足實際工程需求。

　　3.瞬態(tài)分析

　　FloTHERM強大的瞬態(tài)分析能力使得其能夠預(yù)測大范圍的瞬 態(tài)行為?？蓪⑸崃颗c時間變化對應(yīng)的信息用“.csv”格式文件 導(dǎo)入軟件，定義隨時間變化的散熱情況。據(jù)此，可生成關(guān)于元 件溫度隨時間變化的精確報告，而不再是像過去提供的是基于 恒定狀態(tài)的能量消耗量。

　　主要功能包括：

　　◎同步求解傳熱主要形式，包括對流、傳導(dǎo)和輻射;

　　◎求解終端可選擇為基于用戶自定義檢測點的收斂;

　　◎分析含多種冷卻介質(zhì)的散熱系統(tǒng)的能力;

　　◎模擬紊流或?qū)恿鞯哪芰?

　　◎在線性漸變、能量增加、指數(shù)增加、正弦曲線、周期性變化、或?qū)氲碾S時間變化的“.csv”文件中的所有變量均可定義為瞬態(tài)變量;

　　◎全自動輻射換熱和全自動輻射傳熱系數(shù)的計算;

　　◎自動加載太陽輻射項目的邊界條件。

　　四、可視化

　　FloTHERM可視化后處理模塊轉(zhuǎn)為提高電子設(shè)備散熱設(shè)計速度而研發(fā)。完全逼真的模型、三維流動動畫和處理溫度動態(tài)變化的工具，以及流動結(jié)果，協(xié)助工程師迅速高效地發(fā)現(xiàn)熱設(shè)計問題所在，并將設(shè)計修改以可視化形式呈現(xiàn)。動態(tài)流線和示蹤粒子運動圖方便了工程師同步具備熱設(shè)計功底的同事交流。

　　主要功能包括：

　　◎復(fù)雜、三維氣流流動動畫;

　　◎熱傳流動的動畫形式的輪廓圖;

　　◎等值面圖和表面云圖;

　　◎向量或流線體現(xiàn)氣流，用顏色區(qū)分溫度和速度;

　　◎輸出AVI格式動畫;

　　◎動態(tài)示蹤圖幫助用戶更好理解復(fù)雜氣流的流動;

　　◎圖片紋理增強真實感。

　　FloTHERM可視化后處理后的結(jié)果(圖3)，顯示了氣流流動跡線，并用不同顏色表示流速，為工程師提供了如何布局LED電視機通風孔的信息。

　　橫切面圖(圖4)，顯示了產(chǎn)品元件、外殼以及空氣之間傳導(dǎo)、對流和輻射效果下溫度的分布情況。

　　五、FloTHERM產(chǎn)品套餐

　　1.

　　能快速將機械計算機輔助設(shè)計(MCAD)軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FloTHERM。兼容的MCAD軟件包括Pro/ENGINEER、SolidWorks和CATIA等。

　　不僅僅是一個接口文件，它能智能地為某一特定元件或組件篩選模型信息，并為分析流程創(chuàng)建一個簡約的熱等效模型。該步驟非常關(guān)鍵，因為生產(chǎn)制造流程用的MCAD固體模型包含大量熱分析時不需要的細節(jié)(倒角、小孔、切角和螺母等)。這些細節(jié)不僅對于提高熱分析結(jié)果精準度沒有任何幫助，反而會極大地減慢求解速度。對元件細節(jié)的轉(zhuǎn)化功能大大地提高了建模的效率。

　　2.

　　能方便、快捷地將印刷電路板設(shè)計從電子設(shè)計自動化(EDA)軟件中導(dǎo)入到FloTHERM中，兼容的EDA軟件包括 BoardStation、Allegro和CR5000等。

　　通過提取EDA工具內(nèi)的走線、器件參數(shù)等信息創(chuàng)建FloTHERM可讀取的PCB板布局的模型。通過細化(用戶可自行控制細化程度)的熱傳導(dǎo)率分布圖來說明每層銅的分布情況。該濾過功能使得PCB內(nèi)復(fù)雜的銅分布情況用非常精準、簡潔明了的方式顯示，刪減模型細節(jié)。

　　導(dǎo)入模型后，的眾多功能幫助快速描述PCB板的更多特征：

　　◎?qū)τ谠?a target="_blank">EDA工具中不體現(xiàn)而對熱分析很重要的常見元件(如散熱器、導(dǎo)熱孔、子板和屏蔽罩等)，可通過一次簡單點擊鼠標建立該器件模型;

　　◎元件篩選功能，忽略對熱分析結(jié)果影響微小的部件，提高計算時間;

　　◎自動或手動選擇FloTHERM元件庫中的器件，替代EDA工具中相應(yīng)的元件;

　　◎?qū)牒蛯?dǎo)出可視化的熱能分布圖。

　　非常適合現(xiàn)行的設(shè)計流程，允許用戶快速導(dǎo)入現(xiàn)有的EDA數(shù)據(jù)，并簡單地進行必要的模型簡化。

　　3.

　　是一款基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序，提供可靠、準確的IC封裝以及相關(guān)器件的熱模型，而生成這些模型，僅需要用戶提供最基本的芯片封裝參數(shù)。為滿足封裝設(shè)計領(lǐng)域日益增強的創(chuàng)新意識而設(shè)計，基于網(wǎng)絡(luò)，并為每一個元件都設(shè)計了參數(shù)化設(shè)置菜單。用戶只需使用日常應(yīng)用的瀏覽器，輸入描述IC封裝的數(shù)據(jù)，就可充分利用。例如，想要建立一個BGA 封裝模型，用戶只需要輸入如下這些數(shù)據(jù)：焊球/管腳數(shù)目、襯底傳導(dǎo)率、裸片尺寸以及襯底金屬層厚度和覆蓋率。

　　如果用戶沒有元件內(nèi)部模型的詳細信息，內(nèi)的JEDEC標準模型庫的SmartParts向?qū)Э蓭椭脩艨焖佥p松地創(chuàng)建基于其預(yù)測的熱分析模型，而用戶只需回答關(guān)于這個元件的三四個問題。利用基于行業(yè)設(shè)計慣例的智能化內(nèi)置規(guī)則，SmartParts向?qū)ё詣铀褜さ狡渌嚓P(guān)信息。

　　同樣允許用戶預(yù)覽三維模型，確認輸入的參數(shù)正確?？焖贋g覽后，將模型下載到電腦，拖入FloTHERM分析模型中。

　　的功能可以為用戶帶來產(chǎn)能的極大提升。事實上，用戶用在元件建模上的時間減少了20甚至更多。考慮了模型創(chuàng)建過程的每一步，完全可以幫助用戶集中精力于優(yōu)化設(shè)計。

　　支持業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛的所有封裝形式，包括球柵陣列封裝(BGA)、引線封裝(Leaded Packages)、針腳柵格陣列 封裝(Pin Grid Arrays)、晶體管外形封裝(Transistor Outline Packages)、芯片尺寸封裝(Chip-Scale Packages)以及堆棧封裝(Multi-die Packages)。

　　4.

　　是一款獨特的高效的PCB研發(fā)軟件，不僅為優(yōu)化印刷電路板熱設(shè)計提供了一種跨專業(yè)的設(shè)計環(huán)境，使電路板設(shè)計工程師們能夠在設(shè)計電路板的概念階段開始就很容易地將熱設(shè)計也考慮在內(nèi)。而且，還可以應(yīng)用于PCB詳細設(shè)計階段、系統(tǒng)級驗證階段的熱設(shè)計，貫穿了PCB設(shè)計周期的始終。不僅確保了PCB板可靠的熱設(shè)計，同時加快了PCB板設(shè)計流程。可加快印刷電路板散熱設(shè)計過程，此過程甚至能夠從繪制功能模塊原理圖開始，并且使系統(tǒng)構(gòu)架工程師、電路(硬件)設(shè)計工程師和機械熱設(shè)計工程師們能夠在共同的設(shè)計環(huán)境中進行協(xié)作。一個簡單的鼠標點擊就能實現(xiàn)電路板在功能模塊原理圖、物理布局模型和熱分析結(jié)果這三種不同視圖之間的切換。在其中任何一個視圖中所做的改動，會立即反應(yīng)在其他視圖中，使整個設(shè)計團隊保持“同步”，并使其在各個方面的設(shè)計改進能實時地反映到整體設(shè)計開發(fā)過程中。由于產(chǎn)品在電氣性能、機械結(jié)構(gòu)和散熱等方面的問題可以在詳細設(shè)計開始之前就得到解決，就可使優(yōu)化設(shè)計更省時，大大減少了重復(fù)工作的成本。