【经验】利用SmartCFD热仿真解决400G光模块散热问题

时间： 2021-03-18 来源：世强

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热仿真的本质是根据流体力学和传热的基本物理定律求解一系列方程。

爱美达（Aavid）SmartCFD热仿真软件功能齐全，全系列散热器都可以做，特别是热管、均温板、热虹吸。针对热虹吸，SamrtCFD是业内仅有的热仿真软件。目前，世强可免费提供SmartCFD热仿真服务，具体介绍可参见：【视频】可解决热处理设计难题的爱美达SmartCFD热仿真软件，本文不再赘述。

热仿真的基本流程如下:

在电子产品的热仿真中，大多数查验的是产品达到热稳态时的温度情况。热稳态即为温度不再随时间变化，在仿真软件里面表示为收敛状态。因而可以看出，模型的简化、网格划分、参数以及边界条件的精度直接影响求解结果的精度，信息越精确、详细，仿真结果越精确，下图是笔者服务的400G光模块的网格划分结果，以此为例进行讲解。

热仿真的实际优势在于，无需制作样品和测试，就可以提前计算出不同操作场景下产品的散热风险，如下图所示的400G光模块在环温25℃，风速50CFM下的热分布情况。客户的热设计目标是各芯片的温度不要超过85℃。在查验了各零件的热分布后发现里面的DSP和DRV的温升比较高，若考虑功率波动，很大可能有超温风险。

结合结构设计经验，因而建议客户增加上盖凸台或者铜块加厚，使温升较高的几个芯片能距离上盖更近或者贴合，中间使用导热垫片H1000或者导热凝胶填充间隙，将热导出到上盖散热，并且热源与陶瓷片之间填充导热凝胶T657。通过以上措施，大大改善了散热情况。其中H1000和T657的主要性能参数如下，很适合应用在光模块中：

因此，仿真的意义：不在于跟实验有多贴近（此项后期发表专门文章讨论），而是找出最优化的设计，以及对风险的预判，可以预先预测产品的散热方案是否合理，提供合理的建议，从而节省了研发时间和验证成本。

为了尽快达到上述的仿真意义和加快热仿真和研发工作进度，那么就要客户配合提供以下仿真资料：

1. 简化的3D模型

3D模型是热仿真的主体对象，简单的热仿真模型可以直接在SmartCFD中建模，复杂的模型可以直接导入客户的CAD文件，然后进行模型处理和输入参数，以减少建模难度和时间。但是很多客供的是未简化3D模型（如存在小曲面、小倒圆角、小卡扣、小加强筋、装配后出现未覆盖小曲面、设计留有的微小装配间隙、干涉），会造成网格划分过多，甚至出现各种错误，导致热仿真无法进行。因而需要去除这些与热仿真分析无关却不得不重视的小结构。

2. 参与散热的各零部件的参数

a．需要简单产品的应用和结构设计说明：包括功能和安装方式等，便于热仿真工程师了解熟悉产品的设计意图，从大方向和经验上提前预判；

b．整机热耗分布图：这是热仿真工程师设置热源判定的主要来源；

c．零部件的具体热参数信息：比如标准的牌号、导热系数，非标准可查的还需要提供一系列的热参数，如密度、比热容、电导率等；

d．零部件的表面处理方式、颜色：主要是获取零部件的表面辐射系数，可直接提供。

3. 边界条件：

a. 应用环境温度、环境压力、是否与其他外在环境或物件存在关联，如外部设置有风扇等；

b. 散热方式：分对流（强制对流和自然对流）、传导、辐射，自然对流散热需要考虑重力方向和辐射散热

4. 求解要求，主要是三方面：

a. 需要监控的零部或位置、热分布；

b. 需要哪方面的优化建议、方案、对比分析等；

c. 热设计目标

d. 其他求解要求

5. 其他特殊要求：涉及热仿真的商务、推荐的方案优化、供应链物料等均可注明提出。

以上资料汇总成如下表格，无论是客户自主还是本司工程师做热仿真分析时，必须清楚准确的获取相应的资料，才可保证热仿真的精度和正确。

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用户_9737 Lv6 2022-01-20

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