谷研究 l 电子散热仿真软件与金属3D打印技术的结合推动散热器结构复杂化
近年来，由于电子元器件及其应用产品的飞速发展，热损耗与热安全问题日益凸显，电子产品散热器作为散热功能性部件，在电子产品应用领域扮演越来越重要的角色。
而3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色，其应用的关键不仅在于复杂结构的建模能力，还在于需要熟悉电子散热仿真软件。
图片：Plunkett Associates项目组利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics) 软件对散热片建模模型进行了模拟计算，分析了空气流量特性及相关的传热特性。
玩转散热器的3D打印
先练好仿真功底
电子产品散热器设计与制造建立在工程学、材料学、电化学、传热学等多学科领域基础之上，要求结合电子产品产热机理，从经济合理性、技术可行性、实用性等方面对散热方案进行最优的设计。散热器散热效果好坏受散热材料、散热面积、结构设计、散热技术应用等因素综合影响，也与产品生产及精加工工艺水平高低密切相关。
电子产品散热技术主要指外部热设计的方法、方式和技术，涉及与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容，目前应用较多的电子产品散热技术主要有空气冷却技术、液体冷却技术、射流冲击冷却技术、相变冷却技术、热管传热技术、微通道传热技术、热电制冷技术等。
良好的散热解决方案及散热产品设计除了有效降低电子产品整体造价外，也可以延长电子产品寿命、降低故障率，因此节约了后期维护的费用，这些都有利于降低电子产品实际使用成本。
根据3D科学谷的市场研究，3D打印技术尤其是选择性激光熔融技术正在帮助散热器实现更为复杂的几何形状，在建模过程中，可以通过热建模软件来进行模拟。 例如Mentor Graphics公司的FloTHERM软件或者是ANSYS的Icepak软件。
- Mentor Graphics公司令人耳熟能详的是其FloTHERM® XT 软件，是业内首个结合MDA-EDA的电子散热仿真解决方案—从概念阶段贯穿详细设计—能显著缩短产品设计时间。这个解决方案能满足当今电子产品的挑战和复杂几何的两大趋势。
电子行业面临的挑战是由日趋增长的工作速度、功率密度，IC、PCB和电子系统功耗所驱使。而几何体复杂度的增加是由于尺寸的减小和受工业设计影响的增加，这需要处理复杂形状。FloTHERM XT 技术有效地结合机械设计自动化MDA和电子设计自动化EDA以及针对设计工程师和热学专家的需求。
- ANSYS Icepak 提供强大的电子冷却解决方案，利用业界领先的 ANSYS Fluent 计算流体动力学 (CFD) 求解器对集成电路 (IC)、包、印刷电路板 (PCB) 和电子组件进行热力和流体流动分析。ANSYS Icepak CFD 求解器使用 ANSYS Electronics Desktop (AEDT) 图形用户界面 (GUI)。这为工程师们提供了一个以 CAD 为中心的解决方案，使他们可以利用易用的功能区界面来管理与ANSYS HFSS、ANSYS Maxwell 和 ANSYS Q3D Extractor 相同的统一框架内的热力问题。在此环境中工作的电气和机械工程师可享受完全自动化的设计流程，能够将 HFSS、Maxwell 和 Q3D Extractor 无缝耦合到 Icepak 以进行热力分析。
工程师可以依靠 Icepak 为从单个 IC 到包和 PCB 再到计算机外壳和整个数据中心的各种电子应用提供集成电子冷却解决方案。Icepak 求解器执行传导、对流和辐射共轭传热分析。它具有许多先进的功能，能够模拟层流和湍流以及多类型分析，包括辐射和对流。Icepak 提供了一个庞大的风扇、散热器和材料的库，为日常电子冷却问题提供解决方案。
------ 3D科学谷Review
电子器件发热元件的冷却对电子器件的性能起到关键作用，电子元件在安全温度下有助于维持长期的使用寿命，避免产生早期产品故障。当前，实现这种冷却的首选方法是通过自然对流的空气流动带走电子器件的热量。这种方法成本低，维护简单，无噪音。
然而，自然对流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷却极限，当对冷却要求比较高的时候，局限性就显现出来了。
要突破这一局限性，就需要对散热元件的结构加以改进，热对流通过散热器或散热片来实现，这些元件的特点是表面积大，且由高导热材料如铝或铜制成。当电子元器件变热，对流传导快速带走热量。
自然对流的成功在很大程度上取决于散热片的散热能力，并将其移到周围的空气中。设计有效的散热片是一个仔细平衡相互矛盾的因素过程，其中包括需要增加空气流量和表面面积，同时减少压力损失和制造成本。
如果散热元器件可以通过优化高导热材料的几何形状，增加空气流量和表面面积，同时降低生产成本，那么更多的电子产品就可以通过自然对流冷却，而不是诉诸更昂贵和复杂的方法。
选择性金属熔融技术通过将金属一层一层铺粉，带来制造产品几何形状的自由度，而几何形状的自由度带来散热元件更高的表面积密度效率，电子设备性能越来越强大，热负荷也越来越大，需要尽可能有效地散热降温。通过选择性激光熔融3D打印技术来构建复杂的几何形状在电子器件发热元件的冷却方面存在许多待开发的潜在应用空间。
在这一领域，美国橡树岭国家实验室和田纳西大学的研究人员还发现，通过采用一个简单的退火过程，并使用建模设计算法，制造商可以通过3D打印散热片以替代传统制造的散热器。
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