3.1 ANSYS Icepak詳細技術特征

通過對本書第1章的學習，相信讀者對ANSYS Icepak的功能有了大概的了解。下面編者將詳細地向讀者講解ANSYS Icepak的詳細功能及技術特征。

ANSYS Icepak是ANSYS Workbench平臺下的專業(yè)電子散熱模塊，屬于ANSYS的流體產品體系，其通過建立電子產品的熱模型、對模型進行網格處理、求解計算、后處理顯示等完成熱仿真模擬；ANSYS Icepak可以與SIwave協(xié)同實現(xiàn)PCB級的電—熱雙向耦合作用，真實反映PCB的熱分布及電性能分布；Icepak可以與HFSS、Maxwell、Q3D實現(xiàn)電磁—熱流的耦合模擬；Icepak可以與Mechanical協(xié)同耦合，將模型的溫度分布傳遞給結構動力學軟件，實現(xiàn)熱流—結構的耦合模擬，得到電子產品的熱變形、熱應力分布等，多物理場的耦合必須在ANSYS Work-bench平臺下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，如圖3-1所示。

如圖3-2所示為ANSYS系列3大產品體系，通過ANSYS Workbench平臺，可實現(xiàn)電子產品的多物理場耦合模擬計算。

ANSYS Icepak作為專業(yè)的電子散熱分析軟件，可以解決各種不同尺度級別的散熱問題，如圖3-3所示。

（1）環(huán)境級——數(shù)據(jù)中心、機房、外太空等環(huán)境級的熱分析。

（2）系統(tǒng)級——電子設備機箱、機柜以及方艙等系統(tǒng)級的熱分析。

（3）PCB級——PCB級的熱分析。

（4）元器件級——電子模塊、芯片封裝級的熱分析。

ANSYS Icepak具體的技術特征如下。

1．快速幾何建模

（1）友好的界面和操作：完全基于Windows風格的界面。依靠鼠標選取、定位及改變定義對象的大小，使用鼠標拖曳方式，因而建模過程非常方便快捷，如圖3-4所示。

（2）基于對象建模：對于電子散熱行業(yè)常用的機箱、塊、風扇、PCB、通風口、自由開口、空調、板、壁面、管道、熱源、阻尼、散熱器、離心風機、各種封裝件模型等，用戶可以直接從ANSYS Icepak的建模工具欄中調用現(xiàn)成的預定義模型，而無須從點、線、面開始建模；使用快速的自建模工具，方便用戶快速建立“簡化干凈”的電子散熱模型，如圖3-4所示。

（3）豐富的幾何模型：六面體、棱柱、圓柱、同心圓柱、橢圓柱、橢球體，斜板、多邊形板、方形或圓形板，在這些基本模型的基礎上，可以構造出各種復雜形狀的幾何模型，滿足電子散熱的建模需求。

（4）大量的模型庫和材料庫：包括各種氣體、液體、固體及金屬與非金屬材料庫。風扇庫包括Delta、Elina、NMB、Nidec、Papst、EBM、SanyoDenki等廠家的風扇模型。封裝庫包括各種BGA、QFP、FPBGA、TBGA封裝模型。另外，讀者可以很方便地創(chuàng)建自己的模型庫和材料庫，如圖3-5所示。

（5）ANSYS Icepak可以導入各種主流CAD軟件的幾何模型文件（Igs、Stp、Asm等）；也支持導入Cadence、Mentor、Zuken、CR5000、Altium Designer等各種EDA軟件輸出的PCB模型和PCB布線過孔文件模型，如圖3-6所示。

2．優(yōu)秀的網格技術

ANSYS Icepak具有全自動的劃分網格能力，對模型具有很好的自適應性，其網格類型是同類熱分析軟件中最豐富的，包括3種類型的網格，結構化網格（Hexa cartesian）、非結構化網格（Hexa unstructured）和六面體核心網格（Mesher-HD）。

另外，ANSYS Icepak提供兩種網格處理方式，包括非連續(xù)性網格和Multi-level多級網格；針對模型中不同區(qū)域的幾何特點，可以對其使用非連續(xù)性網格，在局部區(qū)域使用不同類型的網格（混合網格）; Multi-level多級網格可以在很大程度上減少網格的個數(shù)。

ANSYS Icepak還具有強大的網格檢查功能，可以檢查并自動顯示質量較差的網格。用戶還可對某個區(qū)域或元件的網格進行自行控制，網格的局部控制不會影響其他區(qū)域和元件模型的網格。ANSYS Icepak不僅能生成高質量的計算網格，而且能保持元器件完整的幾何形狀，網格具有很好的貼體性。

網格類型及處理方式如下。

結構化網格（Hexa cartesian）：主要適用于規(guī)則幾何的網格處理劃分。

非結構化網格（Hexa unstructured）：對任何復雜形狀的幾何使用“O”型網格技術，保持模型本身的幾何形狀。

六面體核心網格（Mesher-HD）：對曲面邊界使用四面體或棱柱網格，其他區(qū)域使用六面體網格，主要適用于CAD模型導入后的異形幾何體。

混合網格：在不同區(qū)域根據(jù)其元器件幾何特點使用不同類型網格，網格可相互混合。

ANSYS Icepak提供兩種不同的網格處理方法。

非連續(xù)性網格：針對幾何尺寸不同的模型，在需要加密的區(qū)域設置非連續(xù)性網格，可以在保證計算精度的基礎上，進一步減少網格數(shù)目，加快計算速度。

優(yōu)秀的Multi-level網格：可以對任何導入的CAD不規(guī)則幾何模型劃分貼體網格，大大提高了網格劃分的質量，在ANSYS Icepak中，只有對整體或者局部區(qū)域使用Mesher-HD六面體核心網格，才能夠劃分Multi-level多級網格，如圖3-7所示。

3．對網格質量的評價、建議工具

ANSYS Icepak還具有網格檢查功能，即在網格生成之后自動計算出網格的面對齊率、扭曲率、體積、網格的偏斜率等參數(shù)，而且還能在界面上顯示出較差網格的位置，以便用戶做進一步的改進，如圖3-8所示。

4．求解器的精度、速度和穩(wěn)定性

ANSYS Icepak軟件的內核采用Fluent有限體積求解器，并采用多重網格加速收斂技術，能加快求解計算的收斂，同時保證高精度的計算結果。除此之外，ANSYS Icepak軟件還允許用戶調節(jié)松弛因子，從而使復雜工程問題的計算收斂速度更加容易控制。

與其他CFD求解器相比，F(xiàn)luent求解器更加穩(wěn)定，計算精度更高，魯棒性強，計算速度快。經過全球CFD

用戶多年的檢驗，F(xiàn)luent求解器是目前CFD領域最為成熟、應用最為廣泛的算法。因此，ANSYS Icepak可以很好地滿足電子行業(yè)熱仿真計算的需求，如圖3-9所示。

5．求解器支持的物理模型

ANSYS Icepak軟件包含多種熱分析所需要的物理模型：穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析；層流、湍流；強迫對流、自然對流、混合對流、熱輻射、固體傳導；不同流體介質間的換熱等。

在自然對流和空間熱分析中，輻射換熱占據(jù)了很大的比例。ANSYS Icepak軟件提供了多種輻射換熱模型來進行高精度的輻射換熱計算，廣泛應用在地面及太空環(huán)境的熱分析中。由于實際物理問題中幾何形狀千差萬別，輻射角系數(shù)的計算非常復雜。要想保證計算的精度，單一的角系數(shù)計算模型很難適用于各種情況。ANSYS Icepak軟件提供了多種輻射換熱模型，包括S2S、Do輻射模型、光線追蹤法等，可以滿足電子產品任何散熱工況的計算需要。

圖3-10中（a）、（b）分別為電子系統(tǒng)處于自然散熱狀態(tài)和太空環(huán)境下的溫度分布，在這兩種狀態(tài)下，輻射換熱的計算精度對仿真結果的準確性至關重要。目前同類軟件中只有ANSYS Icepak支持如此豐富的輻射模型，在各種復雜的計算工況中都能獲得很高的求解精度。

6．后處理功能

ANSYS Icepak軟件是面向對象的、完全集成的后處理環(huán)境，可以輸出速度矢量圖、等值面圖、云圖跡線圖。圖片輸出格式有Postscripts、PPM、TIFF、GIF、JPEG和RGB，動畫輸出格式有AVI、MPEG、GIF。

另外，ANSYS Workbench平臺提供了專業(yè)的后處理軟件CFD-Post，在ANSYS Workbench平臺下，用戶也可以將ANSYS Icepak的計算結果導入CFD-Post中，進行速度、溫度等各變量多樣化的后處理顯示，如圖3-11所示。

7．EDA模型接口的支持

ANSYS Icepak與EDA軟件的接口主要支持IDF格式模型（Mentor Graphics、Cadence、Altium Designer都可以輸出）的直接輸入。另外，如果電路工程師建立了詳細的器件庫模型，輸出的IDF模型將包含芯片的熱耗和熱阻參數(shù)，那么這些信息也都可以自動讀入ANSYS Icepak，無須用戶重新輸入，非常便于電路工程師建立PCB熱模型。

不同軟件的IDF格式（包含兩個文件）有所區(qū)別，Cadence輸出的為“bdf/ldf”, Mentor輸出的為“emn/emp”、Altium Designer輸出的為“brd/pro”。盡管有所區(qū)別，但是都可以直接導入ANSYS Icepak，具體接口如圖3-12所示。

8．Gerber/Brd文件導入PCB

由于PCB的結構越來越復雜，其布線層（Trace Layers）越來越不均勻，因此，在進行熱仿真時，PCB的導熱率顯的尤為重要。實驗證明，PCB由于布線過孔布局的不均勻，其導熱率是各向異性的，且局部區(qū)域均不同。在ANSYS Icepak軟件中，能夠通過布線層接口導入EDA軟件輸出的布線過孔文件，相應的具體接口如圖3-6所示。ANSYS Icepak軟件對不均勻的布線層過孔進行背景網格處理（其不參與CFD計算），然后通過相應的算法，計算出PCB局部區(qū)域各向異性的導熱率，因此并沒有增加整體CFD計算的網格數(shù)目，可以真實地反映PCB的各向異性導熱系數(shù)（kx, ky, kz）, EDA布線過孔導入Icepak軟件如圖3-13所示。

為了方便結構工程師使用ANSYS Icepak，用戶可通過ANSYS Workbench平臺下的Design-Modeler，將各種CAD幾何模型導入ANSYS Icepak，如圖3-14所示。

另外，也可以通過ANSYS Icepak自帶的CAD接口讀入CAD幾何模型，但是由于其不如DesignModeler導入方便，不推薦讀者使用，如圖3-15所示。

9．CAE的協(xié)同（熱流與結構、熱與電的協(xié)同耦合）

（1）用戶可以將相應的CAD幾何模型直接讀入ANSYS Workbench平臺下的DesignModeler，然后將模型傳遞給ANSYS Icepak，在ANSYS Icepak中完成熱仿真后，再將DM中的幾何模型和ANSYS Icepak中的熱仿真結果傳遞給ANSYS Mechanical，完成模型的熱流、結構協(xié)同仿真，如圖3-16所示。

在ANSYS Workbench平臺下，將相應的熱流數(shù)據(jù)傳遞到ANSYS Mechanical，通過詳細的參數(shù)設置，ANSYS Mechanical可以進行線性和非線性的結構應力分析。ANSYS Icepak和ANSYS Mechanical之間的數(shù)據(jù)傳遞接口，使得電子器件的溫度場和由此導致的熱應力變形分析協(xié)同模擬成為可能。

（2）ANSYS Icepak可以在ANSYS Workbench平臺下，與HFSS、Maxwell、Q3D進行電磁與熱流的耦合分析，精確模擬產品在多物理場情況下，各種變量的分布特性，如圖3-17所示。

（3）同時ANSYS Icepak可以與Ansoft SIwave進行PCB電與熱流的雙向耦合分析，將SI-wave計算的PCB不均勻焦耳熱導入ANSYS Icepak，可以考慮電流、電壓分布對PCB溫度的影響，而將Icepak計算的溫度分布導入SIwave，則可以考慮溫度分布對電流、電壓的影響，從而大大提高了PCB級或者系統(tǒng)級熱仿真的計算精度，如圖3-18所示。具體的模擬流程可參考第9章ANSYS Icepak熱仿真專題。