Icepak学习笔记

ICEPAK学习笔记
张永立；2010-09-13
目录
算例一：翅片散热
流量单位CFM
ICEPAK的分析流程
Peclet数
网格Peclet数
注意opening和风扇的边界条件设置
算例二：RF放大器
射频功率放大器简介
Wall/Enclosure/Block/Plate的区别
Wall的内侧（inner）和外侧(Outside)是如何定义的？
Enclosure内部是否有网格，内部是如何定义和处理的？
PCB板的定义（Rack/Board/HeatDissipation/TraceLayers）
HeatSink的定义尺寸含义
算例三：风扇位置优化
格栅（Grille）可以定义倾斜角度
类型为“hollow”的Block内部没有网格
优化参数的定义
定义并显示多工况报告（report）
如何修正风扇模型中P-Q随着海拔高度的变化
注意network block的用法
算例四：冷板的模拟（Cold-Plate）
在Block1内部又建立Block2意味着什么？
注意优先级的应用
算例五：热管模拟
Unpack的应用
各向异性导热的设置
嵌套assembly的使用方法
算例六：协调网格/非协调网格对比
ICEPAK的默认参数设置
为什么ICEPAK写出的*.res文件不能读入到CFD-Post后处理? 算例七：高级网格划分
建立Assembly实现非连续网格划分时需要注意
掩膜板划分网格需要注意
接触热阻和薄导热板的差别是什么?
注意：ICEPAK中不允许两个“thin objects”交叠在一起！
算例八：计算Grille损失系数（批处理/优化）
ICEPAK中多孔板的创建方法
注意多种批处理的设置和后处理功能
算例九：两种散热器翅片散热效果（参数开关）
多种散热器对比可以在一个case中通过切换开关来实现
一个case计算多种散热器模型不需要预先生成网格
本算例的opening边界没有设置压力边界条件
算例十：最小化热阻（参数优化）
计算域外延
新材料的定义
如何才能激活ICEPAK的优化参数（optimization）？
优化计算的基本步骤
算例十一：ICEPAK的辐射模型
自然对流最好给定非零速度的初始条件：
辐射模型一：S2S模型
辐射模型二：DO模型
三种计算结果对比
算例十二：瞬态模拟
定义一个瞬态问题
随时间变化函数实体的定义方法
非定常动画
算例十三：Zoom In功能
注意本算例hollow Block的用法
Grille的方向问题
Grille和Resistance的差别
当所设置的ZoomIn区域和系统中的实体（object）相交时
关于ZoomIn的详细分析
直接详细计算和通过ZoomIn详细计算的结果差别比较
算例十四：IDF导入功能
IDF文件说明
注意“Group”的应用
算例十五：CAD导入功能
CAD几何面导入成ICEPAK实体（object）的方法
Mentor输出文件格式
Mesher HD网格
如何查询网格数量和质量？
如何并行计算？
如何重启动计算？
算例十六：PCB板的Trace导入
可以导入Trace的文件格式
如何能够查询材料库函数的具体物性参数？
ICEPAK是如何根据导入的trace计算热导率的?
PCB实体不能兼容非连续网格
PCB实体和Block实体有什么区别？
IDF导入的模型划分网格出错：
算例十七：Trace焦耳热
给定局部关心的Trace焦耳热
计算过程中中途强制停止计算的后果
算例十八：微电子封装
注意封装库的选择和使用
注意network类型的Block的设置和结果温度查询方法
注意探针（probe）的使用
为什么文本输出和图形显示的最高温度差别很大？
算例十九：多级网格
定义assembly时需要注意
注意多级网格的用途和用法
算例二十：BGA封装的Trace导入
注意导入BGA中trace的方法
计算封装内部的热问题没有流动
注意本算例自然对流系数的处理方式（不是常数）
注意Rjc的计算方法
算例二十一：30所ICEM题目
如何在ICEPAK中实现模拟？
经验技巧总结
1.如何把元器件功率导入ICEPAK中？
2.应用“two resistor”双热阻模型计算温度不合理的问题
3.关于IDF文件的说明
4.IDF中间格式如何导入Pro/E
5.关于常用EDA软件的介绍
6.PADS和Protel文件格式互转
7.Protel的数据输入给ICEPAK的方法
算例一：翅片散热
流量单位CFM：
CFM是一种流量单位
cubic feet per minute 立方英尺每分钟
1CFM=28.3185 L/MIN
ICEPAK的分析流程：
建模——模型检查——划分网格——网格观察——检查Reynolds和Peclet数——求解
Peclet数：
peclet number，用P或Pe表示，是一个无量纲数值，用来表示对流与扩散的相对比例。

随着Pe数的增大，输运量中扩散输运的比例减少，对流输运的比例增大。

P=vL/α
其中v为特征速度, L为特征长度,α为特征扩散系数。

网格Peclet数：
1976年Roache提出，网格或单元Peclet数可以用来度量某点处φ的对流和扩散的强度比例。

网格Peclet数定义为
随着Pe数的增大，φ的输运量中扩散输运的比例减少，对流输运的比例增大。

扩散是无方向性的，φ在各个方向的扩散量一样。

而对流是有方向性的，输运特征或φ的分布呈椭圆形状。

当Pe→∞时，φ的输运中几乎没有扩散，全部都是对流。

φ在P点处的影响由于对流直接传达到下游节点E，而反过来E点处的φ值几乎对P点处φ的分布没有影响。

因此网格Peclet数越大，上游节点φ值对下游节点的影响越大，下游节点对上游节点的影响越小。

而当Pe=0时，上游节点对下游节点的影响与下游节点对上游节点的影响一样。

采用泰勒级数误差分析可知，中心差分格式离散方程计算具有二阶截差，在Pe<2或扩散占优的流动情况下，计算有较高的精度。

但是当流动为强对流情况时，计算的收敛性和精度都较差。

为什么这里有个标准——Pe<2？对于一维对流扩散问题的有限体积法离散方程，离散方程可写成统一形式：
其中系数aP，aE是表示扩散与对流作用的影响。

如果Pe>2，则aE将会为负，而这样会导致物理上不真实的解。

因此当Pe<2时才能保证应用中心差分计算有较高的精度。

注意opening和风扇的边界条件设置：
第一：当风扇是送风时，风扇和opening边界条件的设置：
风扇类型设置为“intake”；
Opening只设置温度边界条件即可（默认设置，没有测试其他选项）。

第二：当风扇是抽风时，风扇和opening边界条件的设置：
测试发现：当风扇类型设置为“exhaust”时，计算结果速度场始终为零，得不到正
确的计算结果。

这种情况发生时，只需要把初始条件中的速度场设置为非零即可（如：把Velocity z =-0.02 m/s）
算例二：RF放大器
射频功率放大器简介：
射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。

在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。

为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。

除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。

射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题
作综合考虑的电子电路。

在发射系统中，射频功率放大器输出功率的范围可以小至mW，
大至数kW，但是这是指末级功率放大器的输出功率。

为了实现大功率输出，末前级就必
须要有足够高的激励功率电平。

射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。

射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。

甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，
乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。

乙类和丙
类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。

射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。

由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外，还有使电子器件工作于开关状态的丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。

Wall/Enclosure/Block/Plate的区别：
答：Encosure的实质就是由六个Plate的板拼成的。

内部封闭空间就是流体区域，
所以也会划分网格。

Plate的优先级高于Block；另外，在计算辐射时，Plate只计算两
个面的辐射，不计算四个侧面的辐射，而Block则要计算6个侧面的辐射。

Wall的内侧（inner）和外侧(Outside)是如何定义的？
Enclosure内部是否有网格，内部是如何定义和处理的？
答：enclosure内部是有网格的。

内部定义成流体区域。

PCB板的定义（Rack/Board/HeatDissipation/TraceLayers）：
Rack/Board/HeatDissipation/TraceLayers的含义分别是什么？
答：其中Rack的功能就是为了方便建立多个PCB板，用copy命令可以达到同样的目的。

HeatSink的定义尺寸含义：
其中的Base Height是指散热器底部平板厚度，Overall Height是指散热器总高度（即：底板厚度+翅片高度）。

算例三：风扇位置优化
格栅（Grille）可以定义倾斜角度：
答：可以定义倾斜角度。

如下图。

另外，关于“Resistance type”的类型（为了计算阻力损失），有三种，第一种是
用于孔板结构，第二种是用于钢丝网结构。

类型为“hollow”的Block内部没有网格：
一旦Block定义为“hollow”,则Block内部是不会划分网格的（成为非计算区域）。

优化参数的定义：
用“$”+变量的形式，可以实现参数化批处理计算。

定义并显示多工况报告（report）：
如何修正风扇模型中P-Q随着海拔高度的变化：
对于不含风扇的流动热分析，可以直接通过改变空气材料属性即可实现海拔高度对散热的影响，但对于风扇模型性能（P-Q性能）如何修正其随海拔高度的变化特性呢？
注意network block的用法：
算例四：冷板的模拟（Cold-Plate）
在Block1内部又建立Block2意味着什么？
注意优先级的应用:
不同类的实体之间优先级不同：软件本身定义了他们的优先级，如：Plate的优先级始终大于Block，用户无法修改；
同类的实体之间也各自有自己的优先级：通过“Priority”来定义，可以认为修改，Priority的数值越大优先级越高。

算例五：热管模拟
Unpack的应用：
各向异性导热的设置：
嵌套assembly的使用方法：
可用于多重非连续网格！
算例六：协调网格/非协调网格对比
ICEPAK的默认参数设置：
为什么ICEPAK写出的*.res文件不能读入到CFD-Post后处理？
算例七：高级网格划分
建立Assembly实现非连续网格划分时需要注意：
设置Assembly的slack时，不要把非连续网格界面放在Assembly和其它器件相接触的位置，如下图示：
掩膜板划分网格需要注意：
如下图，当对“Plate”使用类型“conducting thin”划分网格失败时，可以尝试把掩膜板改为接触热阻的形式“Contact resistance”类型。

接触热阻和薄导热板的差别是什么？
即类型“Contact resistance”和“conducting thin”的差别是什么？
注意：ICEPAK中不允许两个“thin objects”交叠在一起！
算例八：计算Grille损失系数（批处理/优化）
ICEPAK中多孔板的创建方法：
先创建一个block作为无孔板，再在此板的平面内穿件若干个opening!
注意多种批处理的设置和后处理功能：
表达式的定义、曲线的绘制等。

算例九：两种散热器翅片散热效果（参数开关）
多种散热器对比可以在一个case中通过切换开关来实现：
两种类型的散热器效果对比，可以把两个散热器同时建立在一个模型中，把其中一个散热器放在“Trash中的Inactive”；等一个分析完毕后，再把这个散热器从“Inactive”中拿出来，把另外一个散热器放入“Inactive”中。

也可以直接定义一个变量，如“HeatSink”通过在trials中给定变量“HeatSink”
的值（如：“Inline”和“Staggered”）来实现。

一个case计算多种散热器模型不需要预先生成网格：
由于多种散热器几何模型不一样，因此软件在计算每个模型之前自己自动划分网格。

不过最好把散热器作为一个Assembly,以便应用Non-conformal网格。

本算例的opening边界没有设置压力边界条件：
当外边界不设置压力边界条件时，软件内部是如何处理压力边界条件的？计算结果显示压力场分布的合理性有待研究？！
算例十：最小化热阻（参数优化）
计算域外延：
当计算域不仅包含了热分析器件本身，还包含其周围的空间场时，在ICEPAK中实现
只需要把“Cabinet”尺寸外延，并把“Cabinet”的默认边界改成“opening”边界即可。

新材料的定义：可以创建自己的新材料放在材料库里面。

如何才能激活ICEPAK的优化参数（optimization）？
不知道是什么原因，目前我的ICEPAK v12.1版本始终无法激活（灰体），及时定义
了设计变量。

优化计算的基本步骤：
第一步：定义设计变量，并给定设计变量的初始值；
第二步：定义设计变量的约束条件（包括设计变量的上下限，目标变量的约束等，目标变量可以是函数表达式，例如：Mass_HeatSink1+Mass_HeatSink2 < 0.326kg）；
第三步：生成网格；
第四步：提交求解。

算例十一：ICEPAK的辐射模型
自然对流最好给定非零速度的初始条件：
自然对流计算，要避免速度为零的出场，给一个较小的初始速度，以便求解能顺利进行下去。

辐射模型一：S2S模型
计算辐射前，先需要计算角系数（view factor）。

ICEPAK中，在“Model——》Radiation”中计算角系数。

（注：不要激活DO辐射模型选项）
辐射模型二：DO模型
激活DO 辐射模型选项，不需要计算角系数。

三种计算结果对比：
结论：一般辐射模型强烈推荐使用S2S模型；当模型特别复杂，几何面特别多的时候，由于应用S2S模型计算角系数会占用非常多的计算量，则考虑使用DO辐射模型。

算例十二：瞬态模拟
定义一个瞬态问题：
随时间变化函数实体的定义方法：
非定常动画：
算例十三：Zoom In功能
注意本算例hollow Block的用法：
如果计算域不是规则的六面体，可以考虑用hollow block来挖去不需要的计算域，这样此计算域内就不需要划分网格（如下图）。

Grille的方向问题：
其中的方向：“Normal in”和“Normal out”是如何定义的？
Grille和Resistance的差别：
当所设置的ZoomIn区域和系统中的实体（object）相交时：通过“Resize”，被求交的实体会适应ZoomIn区域，ZoomIn本身的区域不变。

关于ZoomIn的详细分析：
一旦创建了ZoomIn区域，在当前目录下就会有一个“*.zoom_in”的文件生成，打开此文件，把ZoomIn内部原来系统级上简化的实体删除，创建详细的实体模型，然后重新提交计算，即可获得详细的分析结果（软件已经自动把系统级的计算结果加载到ZoomIn 新的Cabinet六个边界上）。

直接详细计算和通过ZoomIn详细计算的结果差别比较：
算例十四：IDF导入功能
IDF文件说明：
注意“Group”的应用：
算例十五：CAD导入功能
CAD几何面导入成ICEPAK实体（object）的方法：
Mentor输出文件格式：
Mesher HD网格：
如何查询网格数量和质量？
如何并行计算？
如何重启动计算？
算例十六：PCB板的Trace导入
可以导入Trace的文件格式：
MCM、BRD、TCB，以及使用Cadence/Synopsys/Zuken/Mentor等创建的Gerber文件（.grb/.art/.pho）。

注意：只能在windows平台下才能导入Gerber文件，并且还需要有artwork口令。

另外，如果想导入MCM/BRD文件，需要安装Cadence Allegro。

如何能够查询材料库函数的具体物性参数？
ICEPAK是如何根据导入的trace计算热导率的？
本算例中，导入的PCB板本身材料的导热率为（KX、KY、KZ）=（5.7，5.7，0.37），为什么加入Trace之后计算的真实导热率局部位置比原PCB板本身的材料导热率还低？
KX=(0.35,43.7),KY=(0.35,42.5),KZ=(0.35,0.56)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
PCB实体不能兼容非连续网格：
如果实体是PCB板类型，则不能使用非连续网格；但可以用Block来代替PCB板，这样就可以使用非连续网格。

PCB实体和Block实体有什么区别？
IDF导入的模型划分网格出错：
算例十七：Trace焦耳热
给定局部关心的Trace焦耳热：
通过过滤器，选择Trace，然后设定其电流，ICEPAK软件会基于给定的电流计算其发热功率，进而精确的分析PCB板的温度分布。

计算过程中中途强制停止计算的后果：
强制停止计算后，本算例可以看到温度场，但看不到电流密度、电位势等参数。

算例十八：微电子封装
注意封装库的选择和使用：
注意network类型的Block的设置和结果温度查询方法：
注意探针（probe）的使用：
为什么文本输出和图形显示的最高温度差别很大？
本算例计算发现：
通过“Write overview of results when finished”写出的每个实体的最大温度（70C），和直接在图形显示（或者report）出来的每个实体的最大温度（80C）不一致呢？
算例十九：多级网格
定义assembly时需要注意：
注意“external assembly”和“internal assembly”的区别在哪里?
注意多级网格的用途和用法：
当想更好的捕捉几何形状，而在空间区域又不想划分太密网格时，考虑使用多级网格来捕捉几何特征。

具体方法就是在所定义的assembly中激活：multilevel.
算例二十：BGA封装的Trace导入
注意导入BGA中trace的方法：
计算封装内部的热问题没有流动：
注意本算例自然对流系数的处理方式（不是常数）：
注意Rjc的计算方法：
算例二十一：30所ICEM题目
如何在ICEPAK中实现模拟？
主要是以下几点如何方便的实现ICEM转化到ICEPAK？
第一：左/右/上三个侧面的散热侧片在ICEPAK中，如何处理cabinet的边界？
第二：箱体的厚度可以用enclosure+壁厚来等效吗？还是通过若干个block或Plate 来实现？还是通过“CAD Data”（用CAD surface）直接转换?
经验技巧总结
1.如何把元器件功率导入ICEPAK中？
答：有三种方法导入：（可以详细参考tut14“IDF Import”）
第一种：EDA软件输出成IDF格式时只要有元器件功率就可以直接导入；
第二种：手动编写文本文件，把各个元器件的功率编写成*.txt文件，然后导入即可；第三种：通过Ansoft Siwave软件导入。

第四种：通过将protel文件转为pads文件,然后在pads里面另存就可以得到emn,e mp文件了，网上多的很的将protel文件转为pads文件的转换器。

有网友回答：我们这边EDA的layout工程师使用软件各有不同，用powerPCB,prote l,或者是allegro等，对他们那边具体操作不太熟悉，不过用protel的工程师讲，其他
软件都可以，确实只有protel不能直接输出，但他一直是导入到powerPCB中在导出成功的!
另外也可以在ICEPAK内手工编辑。

注意：IDF是“Intermediate Data Format”的缩写，IDF不是一种文件格式，而是
中间数据格式的统称，它记录的是CAD信息（几何信息和数据库信息），可能有几个文件。

比如：
emn和emp就是一种中间格式；bdf和ldf也是一种中间格式。

2.应用“two resistor”双热阻模型计算温度不合理的问题
答:客户提到：在PCB板上的电子器件使用“network”类型中的“two resistor”双热阻模型发现，在PCB板和电子器件向接触的温度反而比外围的温度还低，不合理。

经测试发现，当PCB板的法向导热率远低于切向导热率的问题，不会出现上述现象。

当把PCB板用Block来代替，即导热率为各向同性（法向和切向导热率都比较大）时，就会出现上述问题。

3.关于IDF文件的说明
Mentor可以生成IDF的CAD模型。

典型的IDF模型包含两个文件：board文件和lib rary文件。

Board文件包含板层（板尺寸和形状、以及元器件位置），library文件包含
元器件信息（尺寸、功耗、jc及jb电阻等）。

ICEPAK的“IDF import”菜单可以把IDF
数据自动转换成ICEPAK的模型。

4.IDF中间格式如何导入Pro/E
问：小弟我在PADS2005里导出IDF数据后，在Pro/E里打开，可是在ProE里只看到一个板，上面什么也没有，不知道是什么原因，请各位大哥指点。

小弟我搞来搞去他总是只显示一个板的外形，没有元件，请大哥指点。

答：这个问题说起来比较复杂，我想问一下，你在PRO/E里面想看到什么？ IDF接
口包含两种文件格式：*.emn和*.emp。

EMN文件包含诸如PCB物理外形、keep-out区域、keep-in区域、钻孔等信息，同时还有每一个元器件的位置和方向。

而EMP文件包含的每
一个元器件的2D大小，外形和高度。

你只看到一个板，是因为你打开的是EMN文件，且
打开为元件所致。

正确的方法是把打开的板子保存下来，再新建一下装配，把板子装上，然后再插入EMP数据，这样就OK了。

这个比较麻烦，首先要求你要了解PRO/E的基本操作，不然说也说不清。

1、PADS 层设置里面设置PCB厚度
2、从PADS里面先要对每个元件的高度进行设置，如果没有设置，在导出为IDF文件时会有提示。

3、在PRO/E里面打开前面导出的IDF文件（*.emn），打开为元件（Component)，这时就可以看到PCB板，然后保存为PRO/E的*.PRT文件，关掉这个文件。

4、PRO/E新建一个组件（Assembly)，然后将上面的PCB元件装配到默认位置。

5、PRO/E菜单里，“插入”--“数据来自文件”，打开前面PADS导出的IDF文件，
选择元件的坐标系（默认），就可以了。

网上讨论：（输出时的设置方式如下，有警告，但不影响使用）
shape---top；format---IDF V3.0；select export items---全选；minimum height ---全是0。

5.关于常用EDA软件的介绍
6.PADS和Protel文件格式互转
7.Protel的数据输入给ICEPAK的方法
Altium Designer 支持导入与导出V2.0 和V3.0 版本IDF 的文件。

导出IDF 的时候会产生扩展名为BRD 和PRO 的两个文件。

BRD 类型的是板子的文件，而PRO 类型的是元件库信息。

输出当前的板子，请选择File ? Save As，并设置保存类型选项来输出SDRC-IDF Br d 文件。