在电子产品越来越小型化、智能化的今天，设计更安全和更紧凑的电子设备对全世界的工程师来说都是一个巨大的挑战。在传统的设计过程中，确保新型电子产品性能的唯一方法是执行大量的设计迭代，直到满足所有标准。这意味着大量的物理试验耗时和昂贵的物理测试过程。如何更加快速更加经济的设计出满意的产品呢？答案在于CAE仿真，通过CAE仿真技术，几天，几周或几个月的物理测试将被仿真运行的数小时甚至几分钟所取代。

电子产品设计的主要挑战是热管理，因为电子产品产生的热量集聚在外壳内，过热不仅会降低预期寿命，还可能损坏电子元件导致产品故障。仿真工程师采取的解决方法就是在制造产品前对电子设备进行热仿真，通过仿真分析了解到产品的冷却系统效率如何？需要对产品的设计实施哪些优化？选择更优材料更好进行散热等。

提高电子产品散热能力的常见设计有：

1、热界面材料（TIM）
这些材料用作热源和散热器之间间隙的填充材料。它们通常具有更高的导热率，有助于有效管理整个系统的热传递。

2、散热器
散热器是与热源接触的金属部件，主要通过传导，有时通过对流或辐射来消除热量。通常，铝或铜用作散热器材料，因为这些金属的导热率相对较高并且与其散热效率成正比。由于通过表面进行热传递，因此散热器专门设计成各种形状以确保大的表面积。

3、热管
热管是密封的铜管或铝管或含有流体的管。液体从热表面吸收热量，沸腾并进入蒸汽状态。

4、热电模块
热电模块是采用珀耳帖效应的设备，基于向设备施加电流来加热或冷却组件。它们总是与散热器一起使用，没有散热器，设备可能会过热并失效。

5、导热油脂或粘合剂
导热粘合剂或油脂是另一种独特的热传输技术。其中一个主要优点是它们将组件粘合在一起，不能机械粘合。

很显然，工程师们有着诸多的选择，但是在保持产品大小的前提下，如何组合出最有效的的散热方式确并不是一件轻松的工作。下面，元王通过一个案例分享，说明CAE仿真如何帮助工程师优化产品性能。

分析背景

某电子产品外壳在以下三种情况下进行热分析，下面的CAD几何形状图包含了PCB板，芯片和外壳。

FEA模型

网格化模型

材料属性

通过使用PCB与芯片，芯片和散热器以及PCB和外壳之间的粘合接触条件来约束接触点。在此之后，定义材料，设置边界条件。

仿真结果

温度分布情况

热通量分布情况

从上面的仿真结果可以看出，由于没有散热材料，芯片在设计1中变得非常热（715 K）。这里主要是由于铝外壳材料和硅芯片明显过热；设计2中的散热器有助于消除芯片的热量。与设计1相比，此处的散热量高出12.6％（详细数值结果见下表）；设计3中的铜热管大大提高了传热效率，虽然热界面材料（设计3中的硅导热垫）价格昂贵，但在芯片和散热片之间建立接触层可以增强部件之间的热耦合，并且可以更快更有效地散热 - 因此，散热量为95.8％,设计3最高。

温度和热通量的最大值如下表所示：

可以使用仿真来研究可能的进一步设计改进，例如，使用铝散热器，其比铜更便宜并且比铜轻近60％，或者具有不同厚度的不同TIM。

结论

很明显，在电子设备中选择适当的元件和材料来传导热量是关键的设计决策之一。例如，铜的导热率是铝的1.8倍。添加铜热管还可以进一步提高导热性，远远超过铜散热器。同时，铝的选择也是合理的，因为它更便宜和更轻，增加了电子元件的耐用性和效率。

这只是热仿真如何帮助设计人员或工程师使用仿真评估其设计的一个案例。 有限元科技依托十数年来1000多家企业的CAE仿真应用经验，为电子产品行业提供全面的CAE应用解决方案，涵盖了有限元分析、CAE软件培训、CAE软件二次开发、元王手机行业性CAE软件、仿真实验室建设等各个方面。选择有限元科技，为您的企业发展创造无限可能。