3.1 ANSYS Icepak详细技术特征

通过对本书第1章的学习，相信读者对ANSYS Icepak的功能有了大概的了解。下面编者将详细地向读者讲解ANSYS Icepak的详细功能及技术特征。

ANSYS Icepak是ANSYS Workbench平台下的专业电子散热模块，属于ANSYS的流体产品体系，其通过建立电子产品的热模型、对模型进行网格处理、求解计算、后处理显示等完成热仿真模拟；ANSYS Icepak可以与SIwave协同实现PCB级的电—热双向耦合作用，真实反映PCB的热分布及电性能分布；Icepak可以与HFSS、Maxwell、Q3D实现电磁—热流的耦合模拟；Icepak可以与Mechanical协同耦合，将模型的温度分布传递给结构动力学软件，实现热流—结构的耦合模拟，得到电子产品的热变形、热应力分布等，多物理场的耦合必须在ANSYS Work-bench平台下实现数据的传递，如图3-1所示。

如图3-2所示为ANSYS系列3大产品体系，通过ANSYS Workbench平台，可实现电子产品的多物理场耦合模拟计算。

ANSYS Icepak作为专业的电子散热分析软件，可以解决各种不同尺度级别的散热问题，如图3-3所示。

（1）环境级——数据中心、机房、外太空等环境级的热分析。

（2）系统级——电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析。

（3）PCB级——PCB级的热分析。

（4）元器件级——电子模块、芯片封装级的热分析。

ANSYS Icepak具体的技术特征如下。

1．快速几何建模

（1）友好的界面和操作：完全基于Windows风格的界面。依靠鼠标选取、定位及改变定义对象的大小，使用鼠标拖曳方式，因而建模过程非常方便快捷，如图3-4所示。

（2）基于对象建模：对于电子散热行业常用的机箱、块、风扇、PCB、通风口、自由开口、空调、板、壁面、管道、热源、阻尼、散热器、离心风机、各种封装件模型等，用户可以直接从ANSYS Icepak的建模工具栏中调用现成的预定义模型，而无须从点、线、面开始建模；使用快速的自建模工具，方便用户快速建立“简化干净”的电子散热模型，如图3-4所示。

（3）丰富的几何模型：六面体、棱柱、圆柱、同心圆柱、椭圆柱、椭球体，斜板、多边形板、方形或圆形板，在这些基本模型的基础上，可以构造出各种复杂形状的几何模型，满足电子散热的建模需求。

（4）大量的模型库和材料库：包括各种气体、液体、固体及金属与非金属材料库。风扇库包括Delta、Elina、NMB、Nidec、Papst、EBM、SanyoDenki等厂家的风扇模型。封装库包括各种BGA、QFP、FPBGA、TBGA封装模型。另外，读者可以很方便地创建自己的模型库和材料库，如图3-5所示。

（5）ANSYS Icepak可以导入各种主流CAD软件的几何模型文件（Igs、Stp、Asm等）；也支持导入Cadence、Mentor、Zuken、CR5000、Altium Designer等各种EDA软件输出的PCB模型和PCB布线过孔文件模型，如图3-6所示。

2．优秀的网格技术

ANSYS Icepak具有全自动的划分网格能力，对模型具有很好的自适应性，其网格类型是同类热分析软件中最丰富的，包括3种类型的网格，结构化网格（Hexa cartesian）、非结构化网格（Hexa unstructured）和六面体核心网格（Mesher-HD）。

另外，ANSYS Icepak提供两种网格处理方式，包括非连续性网格和Multi-level多级网格；针对模型中不同区域的几何特点，可以对其使用非连续性网格，在局部区域使用不同类型的网格（混合网格）; Multi-level多级网格可以在很大程度上减少网格的个数。

ANSYS Icepak还具有强大的网格检查功能，可以检查并自动显示质量较差的网格。用户还可对某个区域或元件的网格进行自行控制，网格的局部控制不会影响其他区域和元件模型的网格。ANSYS Icepak不仅能生成高质量的计算网格，而且能保持元器件完整的几何形状，网格具有很好的贴体性。

网格类型及处理方式如下。

结构化网格（Hexa cartesian）：主要适用于规则几何的网格处理划分。

非结构化网格（Hexa unstructured）：对任何复杂形状的几何使用“O”型网格技术，保持模型本身的几何形状。

六面体核心网格（Mesher-HD）：对曲面边界使用四面体或棱柱网格，其他区域使用六面体网格，主要适用于CAD模型导入后的异形几何体。

混合网格：在不同区域根据其元器件几何特点使用不同类型网格，网格可相互混合。

ANSYS Icepak提供两种不同的网格处理方法。

非连续性网格：针对几何尺寸不同的模型，在需要加密的区域设置非连续性网格，可以在保证计算精度的基础上，进一步减少网格数目，加快计算速度。

优秀的Multi-level网格：可以对任何导入的CAD不规则几何模型划分贴体网格，大大提高了网格划分的质量，在ANSYS Icepak中，只有对整体或者局部区域使用Mesher-HD六面体核心网格，才能够划分Multi-level多级网格，如图3-7所示。

3．对网格质量的评价、建议工具

ANSYS Icepak还具有网格检查功能，即在网格生成之后自动计算出网格的面对齐率、扭曲率、体积、网格的偏斜率等参数，而且还能在界面上显示出较差网格的位置，以便用户做进一步的改进，如图3-8所示。

4．求解器的精度、速度和稳定性

ANSYS Icepak软件的内核采用Fluent有限体积求解器，并采用多重网格加速收敛技术，能加快求解计算的收敛，同时保证高精度的计算结果。除此之外，ANSYS Icepak软件还允许用户调节松弛因子，从而使复杂工程问题的计算收敛速度更加容易控制。

与其他CFD求解器相比，Fluent求解器更加稳定，计算精度更高，鲁棒性强，计算速度快。经过全球CFD

用户多年的检验，Fluent求解器是目前CFD领域最为成熟、应用最为广泛的算法。因此，ANSYS Icepak可以很好地满足电子行业热仿真计算的需求，如图3-9所示。

5．求解器支持的物理模型

ANSYS Icepak软件包含多种热分析所需要的物理模型：稳态热分析、瞬态热分析；层流、湍流；强迫对流、自然对流、混合对流、热辐射、固体传导；不同流体介质间的换热等。

在自然对流和空间热分析中，辐射换热占据了很大的比例。ANSYS Icepak软件提供了多种辐射换热模型来进行高精度的辐射换热计算，广泛应用在地面及太空环境的热分析中。由于实际物理问题中几何形状千差万别，辐射角系数的计算非常复杂。要想保证计算的精度，单一的角系数计算模型很难适用于各种情况。ANSYS Icepak软件提供了多种辐射换热模型，包括S2S、Do辐射模型、光线追踪法等，可以满足电子产品任何散热工况的计算需要。

图3-10中（a）、（b）分别为电子系统处于自然散热状态和太空环境下的温度分布，在这两种状态下，辐射换热的计算精度对仿真结果的准确性至关重要。目前同类软件中只有ANSYS Icepak支持如此丰富的辐射模型，在各种复杂的计算工况中都能获得很高的求解精度。

6．后处理功能

ANSYS Icepak软件是面向对象的、完全集成的后处理环境，可以输出速度矢量图、等值面图、云图迹线图。图片输出格式有Postscripts、PPM、TIFF、GIF、JPEG和RGB，动画输出格式有AVI、MPEG、GIF。

另外，ANSYS Workbench平台提供了专业的后处理软件CFD-Post，在ANSYS Workbench平台下，用户也可以将ANSYS Icepak的计算结果导入CFD-Post中，进行速度、温度等各变量多样化的后处理显示，如图3-11所示。

7．EDA模型接口的支持

ANSYS Icepak与EDA软件的接口主要支持IDF格式模型（Mentor Graphics、Cadence、Altium Designer都可以输出）的直接输入。另外，如果电路工程师建立了详细的器件库模型，输出的IDF模型将包含芯片的热耗和热阻参数，那么这些信息也都可以自动读入ANSYS Icepak，无须用户重新输入，非常便于电路工程师建立PCB热模型。

不同软件的IDF格式（包含两个文件）有所区别，Cadence输出的为“bdf/ldf”, Mentor输出的为“emn/emp”、Altium Designer输出的为“brd/pro”。尽管有所区别，但是都可以直接导入ANSYS Icepak，具体接口如图3-12所示。

8．Gerber/Brd文件导入PCB

由于PCB的结构越来越复杂，其布线层（Trace Layers）越来越不均匀，因此，在进行热仿真时，PCB的导热率显的尤为重要。实验证明，PCB由于布线过孔布局的不均匀，其导热率是各向异性的，且局部区域均不同。在ANSYS Icepak软件中，能够通过布线层接口导入EDA软件输出的布线过孔文件，相应的具体接口如图3-6所示。ANSYS Icepak软件对不均匀的布线层过孔进行背景网格处理（其不参与CFD计算），然后通过相应的算法，计算出PCB局部区域各向异性的导热率，因此并没有增加整体CFD计算的网格数目，可以真实地反映PCB的各向异性导热系数（kx, ky, kz）, EDA布线过孔导入Icepak软件如图3-13所示。

为了方便结构工程师使用ANSYS Icepak，用户可通过ANSYS Workbench平台下的Design-Modeler，将各种CAD几何模型导入ANSYS Icepak，如图3-14所示。

另外，也可以通过ANSYS Icepak自带的CAD接口读入CAD几何模型，但是由于其不如DesignModeler导入方便，不推荐读者使用，如图3-15所示。

9．CAE的协同（热流与结构、热与电的协同耦合）

（1）用户可以将相应的CAD几何模型直接读入ANSYS Workbench平台下的DesignModeler，然后将模型传递给ANSYS Icepak，在ANSYS Icepak中完成热仿真后，再将DM中的几何模型和ANSYS Icepak中的热仿真结果传递给ANSYS Mechanical，完成模型的热流、结构协同仿真，如图3-16所示。

在ANSYS Workbench平台下，将相应的热流数据传递到ANSYS Mechanical，通过详细的参数设置，ANSYS Mechanical可以进行线性和非线性的结构应力分析。ANSYS Icepak和ANSYS Mechanical之间的数据传递接口，使得电子器件的温度场和由此导致的热应力变形分析协同模拟成为可能。

（2）ANSYS Icepak可以在ANSYS Workbench平台下，与HFSS、Maxwell、Q3D进行电磁与热流的耦合分析，精确模拟产品在多物理场情况下，各种变量的分布特性，如图3-17所示。

（3）同时ANSYS Icepak可以与Ansoft SIwave进行PCB电与热流的双向耦合分析，将SI-wave计算的PCB不均匀焦耳热导入ANSYS Icepak，可以考虑电流、电压分布对PCB温度的影响，而将Icepak计算的温度分布导入SIwave，则可以考虑温度分布对电流、电压的影响，从而大大提高了PCB级或者系统级热仿真的计算精度，如图3-18所示。具体的模拟流程可参考第9章ANSYS Icepak热仿真专题。