设计自动化


热设计结合EDA和MDA设计流程

2018年6月13日设计自动化

电子设备的主要热源是半导体芯片,这些芯片的温度敏感性给设计冷却机制带来了挑战。过热会导致芯片过早失效,而一个芯片的失效会使整个设备失效。芯片温度越高,故障越早越肯定。

电子设备的主要热源是半导体芯片,这些芯片的温度敏感性给设计冷却机制带来了挑战。过热会导致芯片过早失效,而一个芯片的失效会使整个设备失效。芯片温度越高,故障越早越肯定。

随着功能的增加,相关的散热已经升级到被认为是电子发展速度的潜在限制的程度。需要适当的冷却策略来防止关键部件过热和故障。

在电子行业,从概念到第一个客户交付的完整设计周期比传统制造业短得多——在某些行业,现在只有9个月——而且产品发布的延迟即使只有几周,也会严重影响利润。

电子冷却设计和模拟应用必须是快速、可靠的,并集成到快速移动、复杂的设计过程中。负责这项工作的人并不是CFD或流体动力学方面的专家,他们也不希望花费大量时间学习详细的CFD概念,或运行复杂的网格生成等潜在的耗时操作。

机械工程师负责设备物理设计的所有方面,也就是电子设计之外的一切,电子设计通常在印刷电路板(PCB)布局中达到高潮。他们负责外壳,pcb和其他组件的适当位置,并确保结构完整性以及设备的安全、可靠运行。冷却和热设计只是他们所关心的问题之一,尽管它往往是一个关键问题。

机械工程师必须与使用电子设计自动化(EDA)软件的电子设计师合作,并与使用机械设计自动化(MDA)软件的其他机械设计师合作。热设计软件将在设计过程的所有阶段做出贡献,从概念、设计探索和优化,到最终验证。

这些不同的需求对软件开发有很大的影响,特别是在接口、数据管理和集成方面。

传统上,基于CFD的热设计软件针对的是具有专门的热设计知识和CFD技术使用的工程分析师。这些工程师至今仍是电子公司的核心团队;然而,基于cfd的热设计已经扩展到包括电气工程师、一般机械设计工程师、工业设计师和营销工程师(图1)。

图1所示。涉及电子热设计的工程师种类繁多。
图1所示。涉及电子热设计的工程师种类繁多。

因此,在用户界面(UI)设计、几何和属性预处理、与其他机械计算机辅助设计(MCAD)的互操作性、CAE和EDA软件、CFD术语和功能的混淆等方面,设计软件解决方案的要求变得更加具有挑战性,后期处理结果和网格/求解器性能。

通用CFD软件在满足这些要求方面还远远不够理想,这就是为什么开发了专门用于电子热应用、具有特定行业输入和控制的专用软件,如Mentor Graphics FloTHERM XT。

热设计问题

电子设备内部是许多固体物体(如pcb、电子封装和设备、电缆、风扇和散热器)的复杂组装。空气流动被限制在这些固体之间的狭窄区域内。和空气中的对流传输一样,固体物体(可能有极其复杂的内部结构)中的传导也是至关重要的。分析涉及大量这样的物体(有时数千个),以及尺度上的极端差异(从米到微米)。

由于这种复杂性,电子产品对热模拟提出了一系列独特的挑战,包括几何捕获、比例差异、缺失数据的不确定性(组件热数据、功耗、材料属性、层厚度、界面阻力)、过渡流状态、网格生成、硬件环境,并需要提高精度。

几何捕获

在详细设计过程中,几何图形来自EDA和MDA设计流程。一个特别的挑战是EDA系统处理电子的2D表示,因为IC和PCB设计都是使用原理图完成的。PCB设计工具只需要组件布局,往往不包含关于组件的最基本的几何信息,如组件高度。通常无法获得关于芯片封装内部几何形状的详细信息。

规模差异

由摩尔定律引起的小型化已经导致了长度尺度上的差距越来越大,在物理产品的尺寸和内部组件和电路的尺寸之间。通常,在相同的模型中,必须适应米到微米的几何尺寸。例如,在外壳中存在的小间隙,也会对电子器件的冷却产生深远的影响。

因此,规模差距随着时间继续增加——这导致了行为模型的要求当仿真中的几何不能直接代表,与PCB痕迹的情况通常是这样多层多氯联苯,和紧凑的热模型(ctm) IC包为了避免内部几何模型,这通常是未知的。

缺失的数据

这导致了电子冷却应用的另一个独特挑战——数据缺失。MCAD系统缺少材料特性数据,所以CFD模拟通常会遇到这个问题。在电子冷却应用的情况下,系统基本上是由许多不同供应商的许多组件组成的,它们的热特性通常不是很清楚。这些包括IC封装,pcb,热管,风扇,Peltier器件等。

几何形状部分来自EDA系统,通常不包括任何使用材料的信息。这增加了电子系统组装过程的复杂性,在组装过程中,热界面材料(TIMs)和间隙垫被用来最大化系统不同部分之间的热接触,以实现有效的冷却解决方案。

此外,为了预测操作条件下的系统温度(随产品的使用情况而变化),活性部件还需要运行功率信息。在最大功率下的稳态运行设计,这将导致严重的过度设计,不再是可容忍的。为了确保可靠运行和最小化过度设计,越来越需要瞬态模拟。

流态

在高杂波电子系统中,空气被迫通过含有各种凸起的通道,这些凸起导致低雷诺数过渡流。然而,这种壁诱导的湍流不是自持续的,如果通道是光滑的,流动将是层流。因此,湍流建模是一个特别的挑战。在快节奏的设计环境中,提供足够精细的网格来执行大涡流模拟(LES)是完全不切实际的,因为大量的流道、对象等,以及大的系统停留时间。

直到最近,使用标准的两方程雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型的实用性一直受到质疑。零方程“有效粘度”模型一直被青睐于施加估计的湍流粘度,因为通常使用的低网格密度会导致一方程和两方程模型预测的实际湍流粘度值比根据经验数据和散装流速知识估计的要少。

——和two-equation模型的一个关键问题是需要细化网格表面附近时使用标准,全面和可伸缩的墙功能治疗(日志法、范干燥1/7th幂律,等等),提供一个y +价值大约30的壁细胞附近网格大小较低通货膨胀率的核心流程。

在电子应用中,边界层开始于组件的前缘,pcb,散热片等,导致大量非常薄的边界层要在系统内分解,所以y+的标准建议根本无法遵循。因此,level仍然是选择的模式。然而,最近浸入边界处理在电子冷却应用中的应用克服了这个缺点。

网格生成

虽然CFD是通用的,但电子冷却应用的网格划分仍然是一个挑战,因为需要捕获的固体流体和固体固体表面的绝对数量。由于需要完全自动化的优化,包括几何形状的改变,网格划分也必须完全自动化,除了在网格划分开始前预先定义所需的网格尺寸外,不需要人工干预。

使用EDA系统设计2D组件和pcb的一个偶然结果是,对未封装的电子产品没有美学要求,电子产品往往包含大量的笛卡尔对齐对象,因此基于笛卡尔的网格系统是这个应用程序的自然选择。然而,尺寸限制迫使电子设计人员在板上对组件进行倾斜,以一定角度插入内存条,并设计非笛卡儿轮廓的散热器。

使用简单的笛卡尔网格,将网格线从对象“溢出”到求解域的边缘是不够的,因为当增加模型的几何细节时,它们很快会导致不可接受的网格计数。因此,使用局部精炼的笛卡尔覆盖网格来细化对象内部和周围的网格变得非常普遍,在许多情况下,允许孔隙度或体素化处理以可接受的准确性来近似非笛卡尔和非对齐的笛卡尔对象。

随着电子系统中出现的非笛卡尔几何的数量增加,对更复杂的网格策略的需求也随之增加。近年来,在早期产品设计中,带有MCAD嵌入式CFD的八叉树网格越来越多地应用于一系列行业和应用中,这些行业和应用的产品设计过程是建立在公司的MCAD系统之上的。

在电子领域,设计过程因公司而异。在MCAD系统中嵌入CFD可能不会促进其使用,因为很多早期设计工作将在MCAD环境之外完成,设计过程可能以公司的EDA流程为中心。因此,嵌入mcad的CFD中使用的模拟方法需要在独立产品中可用。

硬件环境

传统上,热设计是与电子设计一起进行的。CFD中高性能计算(HPC)基础设施的使用远远少于其他行业;例如,在汽车领域,高性能计算促进了LES用于“高保真”CFD的使用,以解决产品设计的困难方面,如空气声学。但在电子冷却应用中,模拟精度的提高并不能转化为产品质量的提高。仿真模型的质量受到输入数据更大的不确定性的限制。

到目前为止,良好的标量性能,可合理扩展至8-16核,满足了市场需求。对于有限数量的共享内存节点,良好的伸缩性可能仍然是硬件性能的目标。硬件环境可能从桌面向云计算转变,利用实验技术进行数值设计将极大地促进设计空间的探索。

提高准确性

由于设计余量的减少,对模拟精度的要求越来越高。然而,这并不能直接转化为对高保真CFD的需求。事实上,自21世纪初以来,时钟速度没有增加,覆盖模级功率密度,功率增加发生在更高级别的封装,如PCB。

这和准确性有什么关系?从环境到结的允许温升不增加,但随着封装、PCB等内部功率密度的增加,空气中发生温升的比例正在减小。

换句话说,模拟固体结构内部传导的重要性正在增加。这解释了重点放在MCAD集成(例如散热器设计),也许更重要的是EDA集成,以准确捕获铜含量和pcb上的分布,影响,如焦耳加热在痕迹,电源和地面,并准确测量TIM材料的导热性,特别是较软的I型和II型材料,它们不太适合在基于ASTM d5470的设备中测量。

解决热设计挑战

电子冷却CFD软件FloTHERM XT就是为了应对这些挑战而开发的。FloTHERM XT为更复杂的设备和外壳提供更容易的建模,并与SmartPart技术相连接,特别是LED照明、消费电子、航空航天/国防和汽车设计工程师。

在一些通用CFD代码中,啮合可能会占用大量的时间和精力,当它出错时,可能会导致沮丧。大多数通用机械工程师都希望在任何可能的地方简单地让软件为他们完成工作,但如果需要,可以切换到更多的手动定义,这就加强了对更复杂的啮合策略的需求。FloTHERM XT的高级代码提供了半自动的、基于对象的算法,并提供了手动调整网格的选项,或允许更有经验的、cfd感知的热工程师所需要的自由和控制。

图2。FloTHERM XT有一个易于使用的定制界面。
图2。FloTHERM XT有一个易于使用的定制界面。

FloTHERM XT采用高度稳定的数值格式和求解控制,半自动操作,控制解决方案的收敛,只需要最小的干预。

对于电子冷却应用,与湍流建模相关的问题很少是(如果有的话)结果中最大的误差来源。它更可能是在功率耗散,材料,流动速率或界面阻力的不确定性。然而,湍流可能是一些更专业的设计关注的一个来源。

FloTHERM XT CFD解决方案为感兴趣的应用领域提供了最好的可能模型,并且只有在有明确理由的情况下才提供替代方案。该软件提供层流、过渡流和湍流的选项,但限制了可用的湍流模型,以避免混淆。

FloTHERM XT使用了一种通用的两方程模型,并结合了一种专利的浸入边界处理方法,可以平滑地在不同的流态之间转换近壁效应,从而获得了适用于电子应用的优秀基准测试结果。

编者按:关于FloTHERM XT的功能和特性的完整描述,以及演示该软件运行的案例研究,读者可以访问全文www.ballardstreet.com /论文/ k4893.pdf

欲了解更多信息,请联系ASIC设计服务+27 11 315 8316,info@asic.co.za,www.asic.co.za



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