谷研究 l 電子散熱模擬軟體與金屬3D列印技術的結合推動散熱器結構複雜化

近年來，由於電子元器件及其應用產品的飛速發展，熱損耗與熱安全問題日益凸顯，電子產品散熱器作為散熱功能性部件，在電子產品應用領域扮演越來越重要的角色。

而3D列印在推動散熱器結構複雜化方面將扮演重要的角色，其應用的關鍵不僅在於複雜結構的建模能力，還在於需要熟悉電子散熱模擬軟體。

圖片：Plunkett Associates項目組利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics) 軟體對散熱片建模模型進行了模擬計算，分析了空氣流量特性及相關的傳熱特性。

玩轉散熱器的3D列印

先練好模擬功底

電子產品散熱器設計與製造建立在工程學、材料學、電化學、傳熱學等多學科領域基礎之上，要求結合電子產品產熱機理，從經濟合理性、技術可行性、實用性等方面對散熱方案進行最優的設計。散熱器散熱效果好壞受散熱材料、散熱面積、結構設計、散熱技術應用等因素綜合影響，也與產品生產及精加工工藝水平高低密切相關。

電子產品散熱技術主要指外部熱設計的方法、方式和技術，涉及與傳熱有關的散熱或冷卻方式、材料等多方面內容，目前應用較多的電子產品散熱技術主要有空氣冷卻技術、液體冷卻技術、射流衝擊冷卻技術、相變冷卻技術、熱管傳熱技術、微通道傳熱技術、熱電製冷技術等。

良好的散熱解決方案及散熱產品設計除了有效降低電子產品整體造價外，也可以延長電子產品壽命、降低故障率，因此節約了後期維護的費用，這些都有利於降低電子產品實際使用成本。

根據3D科學谷的市場研究，3D列印技術尤其是選擇性激光熔融技術正在幫助散熱器實現更為複雜的幾何形狀，在建模過程中，可以通過熱建模軟體來進行模擬。 例如Mentor Graphics公司的FloTHERM軟體或者是ANSYS的Icepak軟體。

-Mentor Graphics公司令人耳熟能詳的是其FloTHERM XT 軟體，是業內首個結合MDA-EDA的電子散熱模擬解決方案—從概念階段貫穿詳細設計—能顯著縮短產品設計時間。這個解決方案能滿足當今電子產品的挑戰和複雜幾何的兩大趨勢。

電子行業面臨的挑戰是由日趨增長的工作速度、功率密度，IC、PCB和電子系統功耗所驅使。而幾何體複雜度的增加是由於尺寸的減小和受工業設計影響的增加，這需要處理複雜形狀。FloTHERM XT 技術有效地結合機械設計自動化MDA和電子設計自動化EDA以及針對設計工程師和熱學專家的需求。

-ANSYS Icepak 提供強大的電子冷卻解決方案，利用業界領先的 ANSYS Fluent 計算流體動力學 (CFD) 求解器對集成電路 (IC)、包、印刷電路板 (PCB) 和電子組件進行熱力和流體流動分析。ANSYS Icepak CFD 求解器使用 ANSYS Electronics Desktop (AEDT) 圖形用戶界面 (GUI)。這為工程師們提供了一個以 CAD 為中心的解決方案，使他們可以利用易用的功能區界面來管理與ANSYS HFSS、ANSYS Maxwell 和 ANSYS Q3D Extractor 相同的統一框架內的熱力問題。在此環境中工作的電氣和機械工程師可享受完全自動化的設計流程，能夠將 HFSS、Maxwell 和 Q3D Extractor 無縫耦合到 Icepak 以進行熱力分析。

工程師可以依靠 Icepak 為從單個 IC 到包和 PCB 再到計算機外殼和整個數據中心的各種電子應用提供集成電子冷卻解決方案。Icepak 求解器執行傳導、對流和輻射共軛傳熱分析。它具有許多先進的功能，能夠模擬層流和湍流以及多類型分析，包括輻射和對流。Icepak 提供了一個龐大的風扇、散熱器和材料的庫，為日常電子冷卻問題提供解決方案。

------3D科學谷Review

電子器件發熱元件的冷卻對電子器件的性能起到關鍵作用，電子元件在安全溫度下有助於維持長期的使用壽命，避免產生早期產品故障。當前，實現這種冷卻的首選方法是通過自然對流的空氣流動帶走電子器件的熱量。這種方法成本低，維護簡單，無噪音。

然而，自然對流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷卻極限，當對冷卻要求比較高的時候，局限性就顯現出來了。

要突破這一局限性，就需要對散熱元件的結構加以改進，熱對流通過散熱器或散熱片來實現，這些元件的特點是表面積大，且由高導熱材料如鋁或銅製成。當電子元器件變熱，對流傳導快速帶走熱量。

自然對流的成功在很大程度上取決於散熱片的散熱能力，並將其移到周圍的空氣中。設計有效的散熱片是一個仔細平衡相互矛盾的因素過程，其中包括需要增加空氣流量和表面面積，同時減少壓力損失和製造成本。

如果散熱元器件可以通過優化高導熱材料的幾何形狀，增加空氣流量和表面面積，同時降低生產成本，那麼更多的電子產品就可以通過自然對流冷卻，而不是訴諸更昂貴和複雜的方法。

選擇性金屬熔融技術通過將金屬一層一層鋪粉，帶來製造產品幾何形狀的自由度，而幾何形狀的自由度帶來散熱元件更高的表面積密度效率，電子設備性能越來越強大，熱負荷也越來越大，需要儘可能有效地散熱降溫。通過選擇性激光熔融3D列印技術來構建複雜的幾何形狀在電子器件發熱元件的冷卻方面存在許多待開發的潛在應用空間。

在這一領域，美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學的研究人員還發現，通過採用一個簡單的退火過程，並使用建模設計演算法，製造商可以通過3D列印散熱片以替代傳統製造的散熱器。

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