1.热仿真的必要性

为了满足智能化、微型化的需求，芯片被最大程度地封装集成，多个芯片(Chip)或并列封装于一个Package中，形成SIP(System In a Package)系统级封装；或进行Stacked堆叠封装，形成堆栈裸片封装。当电流流经导体时，必然会生成焦耳热，热量的不平均势必引起导体的热变形等不良现象，对于高度集成的芯片封装，在其工作时，芯片内部的热耗势必急剧增大，进而导致芯片内部温度升高，因此在芯片封装的研发过程中，芯片封装的过热问题必须得到良好的控制。

焦耳热引起的导体温升及变形（图片来源：知乎）

2.热仿真的作用

热仿真可以视为是一种虚拟实验。它可以在不做出实际产品的前提下，通过输入一系列的信息数据，来计算在不同运行场景下产品的散热风险。因此，热仿真能够提前预判产品的散热方案是否合理，从而节约研发时间和打样成本。热仿真能够实现的基本功能如下：

1) 可计算产品在不同环境下（温度、湿度、海拔、阳光直射等）的温度表现；

2) 可显示产品内部及周围热流路径，便于分析散热控制环节；

3) 可显示冷却介质流动速度分布、流动路径、压强分布、风扇和泵的工作点等流动相关的信息，便于分析理解散热状态和优化方向；

4) 可以实现相关参数自动优化计算，在设计中的多变量耦合关系中自动获取最优设计区间。

3.热仿真的基本原理

热仿真的本质是求解一系列根据流体力学和传热学的基本物理定律推导出的方程组。在求解时，软件首先将连续空间分割成若干单元，每个单元相当于一个控制体（求解过程在仿真软件中就是生成网格的过程）。在一个控制体内，净流入的质量将导致物体密度的变化，而净流入的能量则导致物体温度的变化，即每个控制体都必须满足质量守恒定律和能量守恒定律。对于流速的变化，则是依据动量定理的得出的，即物体在单位时间内某方向上动量的变化与它受到的冲量值相同。这几个定理，连同流体状态方程（流体的密度、导热系数、粘度、比热容等物理性质随温度、压强的变化关系式）和用户给定的边界条件，就是软件进行仿真计算的基本依据。

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4.常见的热仿真软件

① FloTHERM：作为全球第一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件。它可以实现从元器件级、PCB板和模块级、系统整机级到环境级的热分析。FloTHERM软件市场率占有率高达70%，广泛地应用于通讯行业、计算机、半导体/集成电路/元器件，航天航空、国防电子、动力与能源、汽车电子、仪器仪表和消费电子等领域。应用领域：

● 元器件级：芯片封装的散热分析；

● 板级和模块级：PCB板的热设计和散热模块的设计优化；

● 系统级：机箱、机柜等系统散热方案的选择及优化、散热器件的选型；

● 环境级：机房、外太空等大环境的热分析。

图片来源：仿真秀

② ICEPAK：由全球最优秀的计算流体学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。与FloTHERM比较，优势是能够很好地处理曲面几何，采用fluent求解器，集成在ANSYS中，能与ANSYS其他模块进行耦合分析。ICEPAK可以对模拟自然对流、强迫对流、混合对流等流动现象，求解包含热传导、热对流和热辐射的传热模型，可以对电子产品热设计进行瞬态或稳态计算。应用领域：

● 元器件级：电子模块、散热器、芯片封装的热分析；

● 板级：PCB板机的热分析；

● 系统级：电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析；

● 环境级：机房、外太空等环境级的热分析。

图片来源：仿真秀

③ FloEFD：一款通用流体传热分析软件。其使用有限体积法开发，可完全嵌入到NX、Solid Edge、Creo、Catia和Solidworks等主流三维分析软件。支持全自动网格和自适应网格划分，具有层流、过度流及湍流的自动识别和求解能力，具有自动求解收敛技术，仿真流程简单、思路清晰。主要应用于军工、航空、航天、电子、通讯、医疗机械、汽车等行业。

图片来源：ANSCOS官网

参考文献：

1.元王cae工程师（知乎）：https://zhuanlan.zhihu.com/p/345095185?utm_id=0

2.旻星科技：http://www.minstartech.com/page111.html?article_id=126

3.陈继良（仿真秀）：https://www.fangzhenxiu.com/post/2233379

4.做个热设计（仿真秀）：https://www.fangzhenxiu.com/post/5359211/

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