6SigmaET练习教程 R13_智能手机

299 案例十一 智能手机 一. 案例描述 随着芯片功率密度的不断提升，智能手机、平板电脑、机顶盒等电子产品 经常会遇到散热问题。这些产品往往内部结构非常不规则，过去想要针对它们做 热仿真需要做很多简化工作，无法保留其原始几何特征造成物体外形失真，给计 算结果也带来了一定误差。利用 6SigmaET 的功能强大的 CAD 接口可以导入含 有数百甚至上千个零件，加快建模速度，最大程度地保留物体几何特征，提高计 算精度。这类产品一般几百万或稍多一些的网格，建模约需要 1 小时，计算速度 一般在 0.5-1 小时。 本例需要关注以下几点： 1. 善于利用查找功能快速找到某些具体相同属性的物体。 2. 各向异性材料的定义。 3. 结构工程师输出的结构图可能会有一些不利于仿真计算的错误， 如何调 整。 300 4. 利用“简化轮廓”和调整建模等级来减少非关键器件消耗的网格。 二. 建模过程 建立自然对流模板 打开软件，点击 File New Natural Convection，软件会创建出一个默 认大小的求解域，流动状态为层流，考虑热辐射。 导入 CAD 文件 点击 Import 6SigmaGeometry 导入手机 mobj 格式的三维模型， 这种格式 和 STL、STP 类似，是 6SigmaET 软件和 6SigmaGeometry 软件（即 Spaceclaim 软件）之间的一种专有格式。 301 选择之前保存好的文件，导入过程中的各选项保持默认即可。 导入后点击 R 键切换到右侧视图，选中等级最高的 Group，在视图区组件 中心的粉色箭头上右键。 302 在旋转角度对话框中输入 270 度。 旋转之后，手机正面朝上平放。 303 然后把组件移动到求解域内部，步骤是先按 A 键切换到俯视图，拖动组件 中心位置调节蓝点朝求解域内部拖动。再从正视图方向也调整到求解域内部。 组件要完全位于求解域内部，求解域的大小也可以适当调小一些，比如下 图中的尺寸。 304 三. 定义物性参数和划分网格 忽略装配冲突 进行 Object Panel，在 Solid Obstruction 一类上右键点击 Select All 选中所有 实体。 进入选中物体的属性表里，选中 Ignore Collision Detection 忽略掉实体之间 的冲突。显示方式里可以根据自己喜好自定义。 305 材料则先统一定义为 ABS 树脂。 定义 PCB 首先在结构树中的 Materials 标签上右键菜单中选择新建一个材料， 306 将新材料命名为 pcb， 在材料属性表里设置法向导热系数为 0.33， 平面内导 热系数为 35。密度为 1700，比热为 700。如果只做稳态分析，密度和比热值无 影响，做瞬态分析时需要准确设定。 选中手机靠上部位的主 PCB 和靠下的 PCB， 将它们的材料更改为刚才新建 的 PCB 材料。 307 在这两个 PCB 的属性里更改材料的法向，查看它们的局部坐标轴可以发现 应该将材料法向设定为 Z。 为方便识别，我们可以为 PCB 材料添加一个自定义颜色，前面的案例中也 有描述，在此不再重复。 308 在本例中之所以没有使用转换功能得到智能化的 PCB 是因为 PCB 实体厚 度不均，有凹陷的部分。如果想使用转换功能，必须是统一厚度的实体。 定义屏蔽罩材料 手机中很多芯片外面是有屏蔽罩的，我们利用查找功能找到所有屏蔽罩。 在视图区空白处点击一下或者多按几下 ESC 键确保没有选中任何物体，这样会 在全局范围内进行查找。 点击Home菜单中的Find功能或者直接按快捷键Ctrl+F， 309 在弹出的对话框中分别选择物体种类、物体的属性，并设定属性满足的条件。如 下图，其含义是查找所有名字当中含有 shield 字符的 Solid Obstruction。 软件会找到所有满足此条件的物体， 在这些物体的属性表里更改材料为铝。 屏蔽罩同样可以自定义颜色便于区分。 310 定义芯片 主 PCB 上的芯片已经被放到一个组里，选中该组和 PCB，生成独立视图。 选中 PCB 一侧的芯片，转换为智能化的 Component，这样可以设定热阻等 专有属性。 311 转换之后， Component 从当前视图消失， 选中它们在右键菜单中选择 Add To Current View 可以添加到当前的独立视图。 同样将 PCB 另外一侧的芯片转换为 Component，注意有的芯片由于有管脚 存在，转换后面积会变大一些，转换后可以再用鼠标拖拽尺寸调节绿点或者在属 性表里输入数值将大小调整到芯片的主体面积大小。 312 调整屏蔽罩位置并定义 TIM 有时结构工程师画好的结构图直接用于计算会有一些造成错误的地方，比 如此模型中屏蔽罩与 PCB 之间有间隙、芯片和屏蔽罩之间的导热材料没有画出 来等问题。为解决此类错误，我们先利用查找功能找到所有屏蔽罩。 将它们添加到当前含有 PCB、芯片的独立视图。 313 在屏蔽罩的属性表中 Display Option 里将它们更改为透明的。 按 F 键切换到正视图，可以看到屏蔽罩和 PCB 之间有缝隙，我们先将它们 调整到与 PCB 接触。选中一个屏蔽罩，鼠标左键点住其下边缘中心的蓝点并按 住 Shift 键朝 PCB 方向拖动。 314 当 PCB 或芯片高亮显示时松开左键，完成贴合操作。 对于下面这种框架和盖板是两个体的屏蔽罩，需要将它们都选中。 315 同样是先切换到二维视图，点住最靠下的蓝点、按住 Shift 键朝 PCB 拖动 完成贴合操作。 316 利用同样的操作方法将 PCB 另一侧的几个屏蔽罩与 PCB 贴合。 对于某些芯片来说，其热量是通过导热材料传导到屏蔽罩上的。对本模型 而言，选中其中一个芯片可以发现其上表面与屏蔽罩之间有较大空隙，三维结构 图中并没有画出导热材料。我们需要手动将它们建立出来，选中其中一个芯片在 右键菜单中建立 TIM。 317 在 TIM 的属性里将 Thermal Specification 更改为 Conductivity，即定义导热 系数的方式。勾选 Model Thickness，厚度值可以用鼠标调整或者在 Thickness 中 输入数值，使 TIM 与屏蔽罩接触，稍微有一些重叠没关系，但不要留有间隙。 然后新建一个导热系数跟实际导热材料相符合的新材料赋予给 TIM， 本例中我们 从库里选择了一个导热系数为 2.5 的 Typical Die Attach 赋予给 TIM。 对于其他需要建立 TIM 的芯片， 我们可以将上面新建的 TIM 复制一下， 并 在相应芯片上粘贴。 318 只是需要注意不同芯片的厚度不一样，到屏蔽罩的距离也不一样，所以粘 贴后需要注意调整每个 TIM 的厚度到合适值，有的芯片可能不需要 TIM，删掉 其 TIM 或者在上一步中不选择该芯片即可。 319 TIM 建立时默认地会被放置在芯片的上表面上， 查看 PCB 另一侧的芯片可 能会遇到以下问题： 1. 芯片的上下表面颠倒 以 WTR2965 芯片为例， 其上下面在从 CAD 实体转换成 Component 时发生 了颠倒，与 PCB 接触的一面本应是 Bottom 面，但现在被识别成了 TOP 面，TIM 的朝向因此也发生了错误。 为解决此问题，我们先将其原地复制。 320 将复制品 U19 添加到当前视图。 切换到二维视图，在粉色箭头上右键并输入 180 度执行旋转命令。 321 U11 会偏离原始位置，以 U19 为基准，将 U11 与 U19 体中心对齐即可。然 后再将 U19 删除， 这样就完成了 U11 的上下面的调整， TIM 也有了正确的朝向。 再调整 TIM 至合适的厚度即可。 322 利用同样的办法将其它几个出错的芯片进行调整。需要注意的是，在旋转 操作中，有时从正面视图可能看不到粉色箭头，换个方向如左视图（L）或右视 图（R）一般就能看见。 323 2. 芯片的小面被识别成了上表面 如下图中的 U13，其小面转换时被识别成了上表面，其 Height 应该是 0.9， 现在被识别成了错误值。同样还是先原地复制此芯片。 将复制品 U19 添加到当前视图，将 U13 的 Height 值改为 0.9，Width 值改 为 5.6。 324 在 U13 的属性里更改绕 Z 轴旋转 180 度，调整到正确朝向。 再 U19 为基准，将 U13 和 U19 体中心对齐即可，删掉 U19，调整 U13 的 TIM 厚度。 对有同样错误的芯片重复此步骤，完成纠错。 325 各芯片的功耗按下图定义： 定义电池、FPC、Lens 等器件 选中电池建立一个法向导热系数为 1，平面内导热系数为 25 的各向异性材 料。 326 观察电池的局部坐标轴，应该把 Z 方向设定成其材料的法向。 需要注意的是，电池内部是一个有多种材料和电解液的复合体，每个型号 的手机电池大小不一样，内部成分也不一样，上面建立的电池材料属性只是粗略 的值。手机也有比较多的应用场景，当充电时电池发热量会比较大，本例中我们 先不考虑充电场景，电池不定义功耗。 利用查找功能找出其他类物体，如 FPC。 327 将它们赋予 FR4 材料。 透镜部分赋予玻璃材料。 328 名字含有 Silicone 的几个零件可能是结构图中代表 TIM 的，但没有完成其 具体尺寸。我们在前面已经建立了 TIM，所以删掉这些器件。 329 不太重要器件的处理方式 一些不发热体积又比较小的器件可以删掉。 体积较大但不发热的器件， 可以利用软件的 “简化轮廓” 功能简化其外形。 以下面这个器件为例，在其属性表里 Geometry 中 Shape 属性里，目前显示的是 Solid Definition 即导入的几何体。我们将其更改为 Cuboid，可以只保留其长方体 的轮廓， 330 其他类似的体积较大，但不发热的物体都可以这样处理。 331 电话卡、内存卡插槽可以使用此方法将外壳部分“简化轮廓”，删掉内部 的卡。 332 像 USB 接口、耳机接口、按键等，可以在其属性表里将最小网格尺寸调的 大一些，减少其消耗的网格。也可以将 Modelling Level 调成 Approximate，即近 似的，减少网格消耗。 网格调整及划分网格 手机是平放状态的， 从其上表面会有空气被加热产生竖直方向的自然对流， 在屏幕上方可以适当细化几层网格， 选中等级最高的 Group， 建立 Grid Control。 333 网格加密属性可按下图设置其方向和尺寸。 点击 Solve Generate Grid 生成网格，生成了大约 780 万网格。点击 Show Current Grid 显示网格。调整网格切面到合适的位置，查看网格分布情况。 334 四. 开始计算并查看结果 计算条件设定 环境温度保持默认的 20 度不变，材料的辐射发射率保持默认值，发射率参 数越详细越有助于计算准确度。 335 开始计算 由于芯片 CAD 体已经转换成为智能化器件 Component，软件会自动监测 Component 的计算曲线，所以不用为它们建立 Sensor。在正式开始计算前，软件 会首先计算辐射的角系数， 这一过程