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史上最全的Flotherm软件与Icepak软件比较

发布者:admin   发布时间: 2020-09-08 浏览次数:

 电子产品的散热问题一直是大家关注的重点之一,严峻的市场竞争下电子产品的开发周期越来越短,散热设计也成为质量及效率的关键点。作为辅助工具,热仿真软件的高效率、低成本以及便捷地可视化分析,使其在热设计中的作用越来越突出。



 

在电子散热领域,Flotherm和Icepak是当今最流行的两个仿真软件,各有特点,下面我们就从市场份额、易用性、模型库等方面比较一下这两个软件。

 

   市场份额

 

1988年,Flomerics公司推出Flotherm软件,从此,Flotherm开始了如火如荼征服全球电子散热市场的征程。2008年Mentor公司并购Flomerics Group PLC之后,整合之前Flomerics公司与Mentor公司资源,成立了一个全新的部门——Mechanical Analysis Division(MAD),延续并强化FloTHERM软件产品的研发、市场营销、销售、技术支持以及在全球范围内提供咨询服务,并成为电子设备散热分析领域的领跑者,其市场占有率一直排名全球第一,占有率高达80%。

 

Icepak软件由Fluent公司专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件,但Icepak产品并非该公司主打产品,研发团队规模较小,发展至今市场份额远低于Flotherm。

 

   易用性

 

Flotherm软件全球用户市场调查96%愿意推荐此仿真工具应用在电子电力领域研发中。软件设计符合框架简单,经过厂家短期培训便可着手进行电子电力等方面的热设计及分析。

 

A) Flotherm软件的建模以Smartpart为主,其模块化的建模思路,可以使用户在使用过程中完全如搭建积木的方式完成主体建模过程,进而使建模效率大大提高,用户建模操作方便高效;

 

B) Flotherm的网格划分是以自动化为主,局部加密为辅,几分钟就可以完成。网格质量鲁棒性很好,仿真结果与网格相关性很小,即使刚开始入手的热分析工程师也可以得到很精准的仿真结果。

 

C)能对输入的几何体局部或全局进行热阻网络模型构建,省去详细模型构建,此方法可以大大节省建模和仿真周期。

 

Icepak软件主要依托于其公司通用CFD的Fluent求解器及IcemCFD通用网格划分模块。使用者最好是要有计算流体分析背景才能很好的掌握使用。

 

A) ICEM网格划分模块软件,并非专为电子散热行业开发,其主要用于通用CFD应用中,工程师需花费较大精力去学习如何构建网格和提供网格质量,网格鲁棒性不是很好,不同的网格划分经常会产生差异较大的结果,要得到一个较好质量网格需要较长时间的经验积累。

 

B)其求解器也是基于通用CFD应用的基础上,用户特别是电子机械工程师方面的用户在面临求解器模型选择问题上会有很大出入,需要很强的流体力学背景才能选择出较好的计算模型去仿真分析,否则计算结果会不收敛。

 

   模型库

 

基于互联网的IC封装在线热分析模型库【www.flopack.com 】是Mentor公司联合Philips公司、ST微电子、Infineon英飞凌、Nokia诺基亚公司及布达佩斯大学、TIMA、MICReD等研究机构共同承担的PROFIT项目成果,工程师仅需要输入芯片封装的外观参数就可以自动获得IC内部详细热结构的FLOTHERM精确模型和与环境无关的DELPHI简化模型;FLOPACK网站支持全球所有主流厂家的关键IC器件封装类型并在互联网上实时升级更新。目前FLOPACK模型已被JEDEC组织定为全球IC热分析标准模型,也是业内最权威最丰富的电子封装模型数据库。

 

虽说Icepak软件目前也有类似的库,但从模型库的丰富程度及准确程度来说,还是不足以与Flotherm相提并论。

 

 

   与仿真软件接口

 

1) Flotherm 从属于Mentor公司,Mentor公司是全球三大EDA行业的领跑者,故热分析软件和EDA接口之间建立了更好的沟通接口。Flotherm可以直接读取Allegro, Mentor, Zuken等主流EDA公司的PCB板及其器件的几何信息和每层铜线分布,保证了热仿真的准确性。并且目前Flotherm版本可以考虑PCB板内铜线产生的DC产生的焦耳热,对于大功率板子在热分析方面是非常有必要考虑的。其它同类软件是无法做到这一点的。

 

2) 在CAD接口方面,不但完全支持通用的CAD格式如IGES、SAT、STEP、STL,DXF等格式,而且也可以直接读入如Solidawork, ProE,Catia等主流三维实体模型。再结合其自身的Smartpart架构和Flopack网上在线数据库使得FLotherm在模型构建方面效率大大提高。

 

3) 目前版本的Flotherm可以直接读取硬件测试工具如T3Ster测试的器件从结构到环境的热阻分布数据,这一特点可以规避在仿真软件中各种物质导热系数参数的不确定性,直接从硬件测试的数据中在Flotherm中建立起热阻网络模型,进行快速分析。

 

Icepak因为是从属于Ansys公司,其背景是机械强度领域方面,且其主流的流体软件是Fluent,所以在EDA接口方面无论从开发力度和衔接链条方面都是距flotherm有很大差距的。CAD接口方面,目前版本还是可以的。ICEPAK在和电子器件热特性测试方面的衔接很匮乏,因为其公司的主攻方向不在这里。

 

   优化设计

 

Command Center:简称CC模块,是Flotherm软件独有的优化设计模块,集成在Flotherm的软件框架内,用户可以对几乎任何设计变量如风扇与通风孔、散热片等的位置、尺寸、形状、材料,网格等进行全方位的优化,还会自动将各种设计组合在仿真结束后生成分析结果图表报告并提示选择最优设计方案。CC模块中拥有先进的DOE(Design of Experiment)和RSO响应面模型,可以指导客户快速的比较设计方案,选出最优方案,另外其另一强大的SO(Sequential Optimization)优化模型可以进行全局及多目标优化。  

 

由于Icepak软件由于其网格是依托于通用CFD思路构建的,在优化过程中网格质量调整需人为参与太多,而软件要进行结构优化时,网格密度势必变化,故很难保证优化质量。

 

   辐射计算

Flotherm使用Monte-Carlo法结合射线追踪法,具有同Sinda等专用软件类似的辐射计算精度。不但全面计算物体间的灰体辐射,还可以计算太阳辐射对设备的影响。独有高精度辐射计算模式,非常适合密封结构电子机箱的热分析。

 

对于太阳辐射,软件充分考虑了太阳辐射与普通红外辐射的波段不同(太阳辐射主要集中在紫外段和可见光段,其表面吸收率和红外辐射是不一样的),同时可以考虑半透明物质的对太阳辐射的吸收和反射和透射,以及折射效果。

 

同时Flotherm可以考虑环境的瞬态模拟,可以对户外设备处于变化环境下的瞬态模型。

 

Icepak太阳辐射采用类似灯泡照射的方法来处理,本身就无法模拟真实的太阳照射,不但要工程师自己确定照射角,而且辐射能分布也不是平行光束,其计算结果有明显误差。


   网格划分

Flotherm针对电子散热领域,采用当前最先进的多层非连续(嵌入式网格,且嵌入网格的使用几乎没有限制)网格技术,不但网格生成容易,而且计算快速快速稳定,并且其零部件的网格可以打包成单元,在系统级模型中直接调入即可完成,既保证了分析精度又节省了计算时间。经过20多年的实践检验,此类网格设计从计算精度和速度上,非常适合电子散热行业领域。

 

Icepak网格划分依托于ICEM网格生成器,并非专为电子散热行业开发,其主要用于通用CFD中。网格构建过程对于非计算流体专业背景的工程师难度是较大的,学习周期较长,网格的鲁棒性较弱,不同的网格划分往往会导致计算结果差别较大,甚至计算不收敛。

 

Icepak支持非结构的网格,但计算速度慢、内存占用较大,最大支持的网格数在100万左右

 

   计算速度

 

Flotherm软件的计算速度是目前同类软件中占用硬件资源最少,速度最快的求解器。单机32位操作系统2G内存,可以求解300-400万网格的大模型。如果是64位操作系统1000万网格的案例也是没问题的,一般的中等的模型只需几十分钟计算即可完成。

 

l Icepak软件要在普通32位台式电脑上运算200万网格的模型就已经很苦难了,一百万网格以内有时也会经常计算中断,对于目前的电子设备高密度的趋势,达到一百万网格甚至几百万网格也是很正常的,故在计算规模及速度上较Flotherm差距较大。

 

在计算时,Icepak软件在Fluent求解器和ICEMCFD网格计算时必须对网格进行投影计算,计算时间很慢。

 

   后处理

Flotherm的后处理功能在目前同类电子散热分析软件里在指导设计和分析方面是最针对性的。其后处理结果可以帮助工程师直观地,有针对应的对其产品热性能进行全面评估,具体特点如下:

 

A) 独创的热瓶颈(Bn),热捷径(Sc) 参数不仅是用户能够定量定性的分析当前设计方案下的热性能情况,而且更有针对性的指导用户去改进不合理的热结构。此类参数是电子热分析领域的一次小小飞跃。

 

B) 动态的示踪粒子轨迹动画显示,不但可以在三维空间观察流体的运动状态,还可以观察到真实的热流状态;同时可用颜色表示温度、速度、压力等在不同空间位置的变化,可以使用户更加清楚目前流场的温度,速度,压力等参数的变化;

 

C) 瞬态分析中任何求解量随时间变化的图形和曲线都可以任意的显示出来;

 

D) 定量的数据可以通过excel表直接输出,方便进行数据处理。

 

ICEPAK因其依托于通用CFD应用领域,在电子散热领域方面其数据的丰富性及其对电子设计方面针对性指导性较Flotherm要弱一些。

 

   热设计链的完整性

 

Flotherm软件提供了完整的电子电力散热集成分析工具平台,包括:

a) IC热封装模型库FLOPACK;

b) 板级热设计软件FLO/PCB;

c) 热设计软件FLOTHERM;

 

以上三款产品相互之间均可进行无缝的联接,进行协同设计,可以提供从芯片到整机,从电路工程师到结构工程师再到热设计工程师完整的设计协同。

 

Mentor公司提供的热集成分析环境特点有:

1)FLOPACK为目前唯一为JEDEC组织认证的热封装模型库,也是唯一达到商业化的IC热封装数据库,在提供芯片详细模型的同时,还可以提供热阻网络DELPHI模型和双热阻模型;

 

2) Flotherm,FloPCB都可以直接读取主流EDA所构建的板子和器件,铜线分布,过孔等信息,缩短了仿真周期,提高了仿真精度;

 

3) FLOPCB软件和FLOTHERM软件都可以导入FLOPACK中的芯片模型进行热分析,同时FLOPACK还可以针对在FLOTHERM软件中修改过后的芯片模型生成热阻网络DELPHI模型;

 

4)FLOPCB软件可以导入FLOTHERM软件整机模型的局部环境作为边界条件进行板级分析,同时FLOTHERM也可以导入FLOPCB中的单板模型组合进行系统级的完整分析。

 

Icepak软件开发及影响实力有限,市场占有率较低,热设计链条较薄弱。


产业链完整性

Flotherm软件由于占有市场上的绝对份额,故在电子工业的上下游形成了相当完整的产业链:

 

1) 各大芯片厂商(Intel、AMD、Philips、ST、Nokia、Samsumg、Fujitsu、Toshiba、Infineon等)向下游客户提供了相关芯片的Flotherm热模型。

 

2) 电源厂商(Delta、EMERSON、ASTEC、Delco)使用Flotherm软件分析其电源产品的热设计。

 

3) 通讯厂商(Bell、Lucent、Alcatel、3Com、Cisco、Siemens、Nokia、Nortel等)使用Flotherm软件进行通讯设备的热分析。

 

4) 计算机行业(Dell、Lenovo、Asustek、Compal、Inventec、Quanta、Acer、NEC、Sony)使用Flotherm分析软件。

 

1) 电子代工业巨头(Celestic、Solectron、Foxconn)使用Flotherm软件。

 

由于Flotherm应用面广,上下游供需双方都广泛使用Flotherm软件,故可以采用Flotherm软件方便地进行数据和模型交互。

 

而Icepak由于市场占有率低,产业链方面无法与Flotherm相提并论。

就一般的应用来讲,Flotherm建模方便快速,网格划分高效简洁,仿真各项设定定制化程度低,相对容易上手。为了提高建模和计算效率,Flotherm提供了大量的smartpart快速建模的宏命令,摒弃了繁杂的模型筛选,无论是几何建模,网格划分,还是流动、传热模型的筛选,自动化程度都很高。而且通过适当的控制,如果模型设置合理,计算精度可以满足常规电子散热设计的要求。

相对于Flotherm,对于常规的电子产品散热设计来讲,Icepak的核心优势是支持非结构化网格,从而可以更加便捷、更高精度地支持曲面结构。Icepak可以直接对导入的CAD模型进行网格离散化这一点往往被误认为Icepak更简单,实际上并非如此。由于支持非结构化网格和接受不加修饰的原生CAD对象,Icepak的前处理,尤其是网格划分部分,远远比Flotherm复杂。当模型中导入了CAD结构后,不合适的设置经常导致各种各样的错误。很多情况下,如果异形体的网格质量没有得到合理控制,其计算精度甚至不如将各曲面简化为直方直棱的、使用结构化网格就可完美描述的对象进行仿真。而如果简化为这样的对象的话,Flotherm也可处理。同为处理结构化对象时,Flotherm的建模效率则会明显胜出。


 

 

 

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