【ThermalDesktop教程02】PCB板热仿真案例

作者 | Tsinglin  

首发 | CFD学习与应用（ID:CAE_er）

本案例演示采用Thermal Desktop进行PCB板热分析。通过本案例，你将学习以下几个知识点：

• 使用TD进行PCB热分析；

• 熟悉TD传热分析基本流程

• 热连接器（contactor）的使用

• 各项异性材料设置

• 与ANSYS SCDM联动模型导入

预备知识

本教程无需任何Thermal Desktop基础，有一点AutoCAD基础更好。本教程将会详细描述每一步设置的操作及原因。

1问题描述

1.1问题概述

本教程假设对印制电路板（PCB）和芯片进行热分析。其中PCB为各项异性材料，导热率X方向为9W/m/k, Y方向为41W/m/k, Z方向为0.55W/m/k,密度为2700kg/m³,比热为396J/kg/k。芯片材料密度为2700 kg/m³，比热为900 J/kg/k，导热率为383W/m/k。芯片热耗为5W.环境温度为25℃，PCB远离芯片端为安装面，安装面温度为25℃。

2模型准备

2.1模型下载

请到文末查看百度云盘链接下载模型文件。

2.2模型前处理

• 本案例模型简单，无需前处理。

3启动软件

步骤1：启动AutoCAD2018，也可以直接打开下载目录下的【.dwg】模板文件

复 制模板文件夹→重命名→双击模板文件→启动AutoCAD

步骤2：进入软件操作界面，红色框内为TD常用操作工具栏核菜单栏

4导入几何模型

步骤1：单击下图【create link】快捷键，弹出与ANSYS SCDM创建几何关联面板

步骤2：如下图选择【PCB.scdoc】，如果此SCDM与.dwg文件在一个目录，需要点击后面的小三角，通过【browse】导航至SCDM文件所在目录,单击【ok】

步骤3：弹出如下窗口，点击【确定】

步骤4：弹出如下窗口，点击【synchronize】同步文件

步骤5：弹出如下窗口，点击【确定】

步骤6：导入几何后，如果看不到几何图形，是因为图形太小，点击下图红色标注的【缩放】快捷键，图形显示如下

注意如果是第一次进行SCDM和TD关联，需要在SCDM中取消背景加载，否则无法进行关联。具体操作步骤如下

步骤1：启动SCDM,【文件】→【spaceclaim选项】

步骤2：如下图，文件选项→常规→SCDOC选项中取消【在背景中加载模型的选项】，单击【确认】，然后关闭SCDM,重新启动即可。

5创建材料热属性

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【common】面板内的【thermo】激活材料热属性编辑面板

步骤2：如下图，输入材料名称【pcb_ortho】，单击【add】，弹出材料设置面板

步骤3：如下图，输入材料物性，单击【ok】

步骤4：如下图，输入材料名称【chip_iso】，单击【add】，弹出材料设置面板

步骤5：如下图，输入材料物性，单击【ok】

步骤6：材料管理面板内确认已创建所需新材料，如下图所示，单击【ok】

6创建热模型

6.1创建节点(node)

作为对流换热的空气边界

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【node】激活节点创建命令

步骤2：按照提示在绘图区任意位置单击，即可创建一个圆形节点，单机空格键重复创建节点命令，创建如下图两个节点

步骤3：单击选中创建的第一个节点，点击【Edit】，进入节点编辑面板

步骤4：在【submodel】对话框中如图输入【air1】,勾选【Boundary】将节点类型由热扩散节点修改为边界节点（边界节点的温度为initial temp表格内的值，本案例为25C）

注意看，此时第一个创建的节点的形状由圆形变为三角形

步骤5：重复步骤3，编辑第二个节点,如下图

6.2创建FD热模型

6.2.1创建PCB板FD热模型

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【FD Surface/solid】面板内的【rectangle】激活平板壳单元创建命令

步骤2：根据提示单击捕捉到pcb板厚度的第一个中点，如下图

步骤2：根据提示，再次捕捉延x方向的PCB板厚度的中点，如下图

步骤3：根据提示，再次捕捉延y方向的PCB板厚度的中点,如下图，单击完成后自动弹出【thin shell date】编辑面板

步骤4：在【thin shell date】→【subdivision】选项卡内设置网格划分数量，如下图

步骤5：在【thin shell date】→【numbering】选项卡内设置节点子模型名称及id编号，如下图

步骤6：在【thin shell date】→【cond/cap】选项卡内设置矩形薄板名称、材料和厚度，如下图 ，完成后单击【确认】

创建pcb板热模型如下图，从图中可以看到，红色箭头表示+X方向，绿色箭头表示+Y方向，蓝色箭头表示+Z方向

6.2.2创建芯片FD热模型

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【FD Surface/solid】面板内的【solid brick】激活长方体单元创建命令

步骤2：同矩形壳单元划分一样，如下图所示依次通过端点捕捉创建芯片模型，并自动弹出属性设置面板

步骤3：在【thin shell date】→【subdivision】选项卡内设置网格划分数量，如下图

步骤4：在【thin shell date】→【numbering】选项卡内设置节点子模型名称及id编号，如下图

步骤5：在【thin shell date】→【cond/cap】选项卡内设置矩形薄板名称、材料和厚度，如下图 ，完成后单击【确认】

创建芯片热模型如下图，从图中可以看到，红色箭头表示+X方向，绿色箭头表示+Y方向，蓝色箭头表示+Z方向

6.3创建传导（conductor）

6.3.1PCB板与空气对流换热（conductor）

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【node-surface cond】激活传导创建命令

步骤2：如图按照软件提示，先点击第一个边界节点，再点击PCB板，创建传导如下图所示

步骤3：鼠标单机选中步骤2创建的传导，点击【Edit】,进入传导编辑面板

步骤4：【submodel】栏输入【air1_to_pcb】给传导起一个容易识别的名称，采用默认【Generic】传导类型，【Value】栏输入热导大小为19W/m2/K,勾选【per area】,确认节点名称为【air1】,单击【ok】

6.3.2芯片与空气对流换热（conductor）

步骤1：同4.3.1建立边界节点2【air2】与芯片的对流换热为24w/m2/k

步骤2：选中创建的传导，点击【edit】进入传导编辑面板，设置传导名称、大小以及选择芯片的换热面

6.4设置PCB安装面温度边界

步骤1：通过鼠标框选如图PCB安装边界节点，点击【edit】,弹出节点编辑面板

步骤2：如下图设置边界温度为25℃

6.5加载点热源（heatload）

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【solid heat load】激活节体热源创建命令

步骤2：如图按照提示，选中芯片，然后按提示按下键盘上的【Enter】键，弹出热载荷编辑面板，如下图所示，设置热载荷的子模型名称(heatload_chip)和热源大小(5W)，单击【ok】

弹出热源图标如下图红色箭头图标，此时系统整个热模型即创建完成

6.6创建热连接（contactor）

步骤1：通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【contactor】激活热连接创建命令

步骤2：按提示如图先选择芯片作为热连接的from对象，确认选择后，按键盘【enter】切换热连接to对象选择，按提示选择pcb板作为to对象，按键盘【enter】键完成选择，此时会自动弹出热连接设置面板

步骤3：如图设置芯片到pcb板的接触热阻为2100w/m2/k,单击【show calcs】显示热连接示意图，为黄色线。确认热连接的合理性

步骤4：单击下图【reset】快捷键图标，取消热连接显示

7求解设置

步骤1：如图单击【Case set manger】绿色快捷图标，弹出求解设置管理面板，如下图所示，选中【case set0】，单击【Edit】,进入求解器编辑面板

步骤2：如图勾选【steady state】将case设置为稳态求解，单击【确定】退出

8运行求解

步骤1：如图选中caseset0，然后单击【run 1 select case】进行计算。

9结果查看

温度云图如下图所示，芯片温度约为69.53℃。

10总结与思考

本案例是一个简单的PCB热分析案例，旨在为新手熟悉Thermal Desktop的基本操作流程。内容总结如下：

1. 采用ANSYS SCDM完成几何模型简化，然后关联至TD是推荐的模型处理方式；

2.热连接是用于设置接触热阻最常用的方式。

3.各项异性材料的方向与有限差分模型的方向保持一致，也可以通过材料方向指定。

11思考提问：

1． 为什么PCB板采用面单元？

答：在热分析中，如果对厚度方向的温度梯度敏感性不关注，尽量采用壳单元，这样可以减少网格，增加计算速度，又不影响结果的准确性

12作业与问答

12.1作业

1.尝试采用体单元创建PCB板？

2.尝试修改PCB板的节点数量，查看对结果的影响？

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