電子散熱軟體/熱分析軟體推薦與經驗分享
現今的電子產品日新月異，使用的PCB越來越多層、晶片的封裝方式越來越複雜、隨著晶片的功能變多隨之所使用的功率也逐漸增高，從以前的70～80度Junction溫度，到現在動輒100度甚至120度的高溫，電子散熱的設計工作不像以往貼貼散熱片或是加一些金屬就可以解決，新的熱問題需要更多的創新、計算與測試才能排除，因此各大電子公司為了研發節省時間和成本，往往會導入CFD CAE軟體來協助散熱研發，以下針對電子散熱CFD軟體，在實際應用與評估選用時可能會面臨的問題和目前CFD軟體所能提供的解決方案為題做一些淺明的分享與軟體推薦。
首些來科普一下什麼是CFD，CFD是計算流體力學的英文縮寫，通常是基於有限體積或有限元素等離散法來解算Navier Stokes、Euler、Lagrangian方程，將流體相關的現象與物理量數值解算出來，市面上有非常多套裝軟體擁有計算流體力學的能力，舉例來說STAR-CCM+、Fluent、Ansys CFX、COMSOL、Solidworks Flow Simulation等，但作為電子產業應用來說每一個CFD軟體都合適使用嗎？
一般來說做一個CFD模擬的前置作業流程，或是我們可以稱之為前處理概略有幾個步驟：
一. CAD導入
在這個過程需要將CAD軟體繪製的模型匯入到CFD軟體中，一般台灣常用的Inventor、Creo、Pro/E、Catia依我的經驗的經驗輸出為STEP較佳，Solidworks、Solidedge、NX輸出Parasolid 的XT檔案比較好，這裡的好壞指的是轉出後沒有破損的成功率，最差是轉為IGS或STL格式有很大的機會破圖，除非是用6sigma ET這個只能吃STL圖的軟體，通常有經驗的工程師會盡量避免破圖，因為有破圖就需要回CAD或是用第三方軟體修，不然軟體無法計算，浪費很多時間。此外這階段有時候我們會請機構或是自行將CAD圖簡化，將過多的小孔、導角、公差細縫、干涉去除，這些問題往往會導致某些軟體中，網格數目過量或是計算出異常的結果。
二.切網格
每套軟體針對計算原理會有不同的切網格（Meshing）方法，大致分為沿著模型表面建立的結構或非結構式網格，另一種是空間中劃分的卡笛森座標網格，這兩種各有優劣性，前者在傾斜面或是曲面微觀流體現象上能有精準的表現，但缺點在於需要較多經驗與知識來控制調整網格，來達到足夠且沒有變形的網格品質，後者優勢在於網格建立、計算速度較快，但碰到斜板或是曲面圓弧等形狀，使用再多的網格來建置都只能達到近似的結果，而且處理上非常困難。網格的數量與品質是關乎一個分析案精準程度非常重要的一個因素，網格品質不佳或數量過少會得到不精準的結果，使用過於龐大的計算格點數又會導致計算時間冗長，所以我們需要恰到好處的網格量與品質，一般前處理中我們除了可以用流體的Y Plus數值來評斷近壁面的網格厚度外，另一種就是網格獨立性的測試，一個CAE熱流工程師的功力通常可以在他的網格加密處理手法上看出來，要如何做到精準度足夠、計算時間又不會過長需要長時間的經驗累積。
三.模擬邊界條件與材料特性
有做過數值分析的人常會聽到一句話”Garbage in garbage out”，你輸入錯誤的資訊到計算機裡，計算機就跑出沒有用的結果，很多人會問，他做的模擬跟實測很不吻合，是不是他用的軟體很低階、很不準，其實一般CFD軟體的計算原理、統御方程都大同小異，只要在前面一步有足夠好的網格，同樣條件下所有的軟體可以得到相同的答案，因此計算準度問題來自於材料參數、邊界條件的誤判或是缺乏，尤其業界很多料商提供的資料常常經過灌水，據我的經驗有一半以上的熱數據自行測試或透過模擬會得到有落差的結果，作為一個CAE軟體工程師的另一個價值就在於幫公司或同事”校正參數”，模擬出來的結果跟實驗有落差時可以透過微調參數或現在比較新的實驗設計法的方式找出正確數值，有了這些數據除了可以模擬出貼近實測的結果外，下一次用同料的時候就可以比較輕鬆使用校正過的數據做模擬。
四.計算與結果判讀
這幾年的軟體都比較平易近人，除了內建前處理外，後處理也寫在同一個軟體裡面，CFD工程師不用像以前學一個CAD、一個長網格工具、一個前處理輸入條件、學習求解器語法輸入卡片、再學一個後處理器把數字圖像化，但是判別結果的可靠度，再將之撰寫為圖文並茂的報告能力還是需要具備的，每套軟體計算機，都會有數值運算逼近結果誤差性的判別方式，例如常用的收斂殘差值方法（Residual），也有些軟體會將計算值特徵標準化（Normalization）後看變化性，或是觀看各大物理量的實際數值變化量大小來判斷，這些方法都可以讓我們了解結果的可靠性，甚至能節省時間，在計算完成前就中斷計算機，重頭調整網格、邊界條件等參數值。
上面花了一些篇幅稍微談到CAE工程師平常在做的或是必須具備的能力，接下來分享一下，在”電子業”的熱流模擬工程師可能面臨的問題，以及我接觸過的模擬軟體經驗：
一. CAD處理
電子產業的產品大部分由PCBA、Chips、散熱模組與其他機構件組成，小型的消費性電子產品上述組件較少，大型的伺服器或電源、機箱等產品可能就有多組PCB組件存在，外殼除非是網通、家用產品比較有造型或用塑料，其他電子系統一般多為板金結構，上面都會有大量的孔、縫、小特徵、導角，如果直接用STAR-CCM+、Ansys Fluent、FloEFD或Flow simulation這些泛用軟體來硬做，往往會導致網格建立失敗或是跑出天文數字網格無法計算的問題，由於這些特性因而出現了像ICE Pak或Flotherm這樣對電子類產品特化型CFD工具，這兩套都是以卡式座標網格為主，而且不需要處理CAD，直接用內建的電子元件零件庫就可以拼湊出一個電子系統，散熱片、風扇、機殼等直接拖放就能輕鬆組裝，而且許多代工廠跟系統廠的散熱部門跟機構部門各別獨立，在沒有CAD的前提下要做Pre CAD分析，除非自己部門擁有獨立的繪圖工具自行DIY。
二. 網格
如上述提到，電子產品裡頭有非常多板卡、PCBA或晶片組存在，每個晶片又有不同的封裝形式，好不容易把CAD修完去除惱人的小特徵後，又要來煩惱大量電子元件塞在狹小空間，這樣的3D模型能否建構網格，或網格是否過於龐大到電腦負荷不了，我可能會選用泛用型CFD軟體來作為網通或小型產品的分析工具，伺服器、電腦、筆電廠一般都選擇Flotherm，原因在於，第一他使用卡式座標網格，在上千萬的網格系統運算上一般電腦仍可運作，第二Flotherm在建立Smart part物件時就自動把網格長好了，之後只要微調需要加密的零件即可，所以少數熱流工程師用Flotherm久了可能CAD跟建網格的能力會慢慢退化，另外一個電子廠常用的ICEPAK也是類似的原理，但是他將類似Flotherm的功能跟Fluent的計算器結合，網格上又增加了傳統網格混搭，曲面處理能力較好，但相對的混合網格使用起來非常複雜，據我的經驗一般人還是只用他的直角座標系網格，之後有空我們再來談談Flotherm與ICEPAK其間的差異性。
三. 邊界條件與材料
PCB疊構、晶片裡頭堆疊Die架構、VIAS位置與分布，是散熱工程師每天在煩惱的問題，以往我們會用數值解化的方式來建構熱模型，但往往或過度簡化把PCB、Chip變成均質等向的材料，或是簡單用雙熱阻方法定義，這樣在PCB熱分布或晶片的發熱量上或容易造成誤差，使用Flotherm的電子廠就不會有這樣的問題，FloEDA 能直接把ECAD 2D架構資訊轉換為3D數位模型，內容詳細到PCB每層的電路、VIAS每一支都能詳實轉換，如果使用INTEL、NVIDIA等半導體大廠的晶片甚至會提供模型庫給Flotherm使用，可以省去很多找規格書、數值轉化計算等麻煩，工程師可以花費更多時間來做散熱設計，或最佳化產品，這也是為什麼Flotherm在電子業有高達八成的市佔率。
四. 計算機與收斂
在大風場的模擬效率我會推薦Ansys Fluent或是STAR-CCM+，但如果方方正正的電子類產品計算最快的據我所知應該非Flotherm 莫屬，他能在數小時內完成幾千萬網格量的機櫃模擬，支援多核心計算所以如果擁有越好的硬體設備你可以做的題目越龐大，也能夠在較短的時間完成計算，唯一的缺點應該是沒辦法做完全真空的環境，但電子相關產業多半不是這種條件。
以上根據多年電子相關產品模擬的經驗分享心得，最後以個人電子相關產業常用的軟體推薦作為總結。
半導體業：Flotherm、ICEPAK
光電業：FloEFD、Simcenter 3D ESC
網路通訊：FloEFD、Simcenter 3D ESC、Solidwrks Flow Simulation
電腦、筆電：Flotherm、ICEPAK
伺服器：Flotherm、ICEPAK
電子零組件：FloEFD、Solidworks Flow Simulation
黃冠傑
24 10 月 2020不錯.精闢有理