Las soluciones de diseño térmico, que ofrecen las mayores mejoras, son los más cercanos a la fuente. Esto explica por qué los disipadores de calor, que normalmente se conectan directamente, a un procesador en lugar de chasis. Cuando la mejora de un diseño, puede aumentar la eficiencia de la transferencia de calor, los caminos dominantes por parte de la conductividad térmica, aumenta la superficie, o puede proporcionar una nueva ruta de acceso completo. Savvy (costo y tiempo-consciente), los diseñadores de PCB, primero tienden a maximizar los mejores caminos existentes, y luego cultivan caminos suplementarios, si hay más alivio del que se necesita. Tomando las conjeturas de diseño térmico Evaluar el comportamiento térmico, significó la construcción de prototipos físicos, conexión de termopares, y el cotejo de los resultados, en hojas de cálculo o bases de datos. Con la llegada de acceso basado en software de dinámica de fluidos computacional (CFD), las herramientas cambiaron. Hoy en día, las soluciones tales como Mentor, ofrecen una visión gráfica FloTHERMn en el flujo de calor a través de un sistema con mucho mayor detalle que un solo punto o las medidas de flujos. 
Pruebas típicas de la electrónica de refrigeración de diseño en el PCB, y el nivel de sistema proporcionan mediciones puntuales de temperatura, velocidad del aire local, o la tasa de mayor caudal. Esta es una información muy útil y en última instancia, se requiere para calificar a un diseño. Pero el análisis CFD, se puede implementar muy temprano en el proceso de diseño, mucho antes de que un prototipo se encuentre disponible. Se puede acortar el tiempo de diseño en general y en última instancia, el rendimiento de productos superiores.
Si basados en el análisis CFD, se aprovecha todo su potencial, una serie de estrategias de diseño puede ser considerados y comparados, sus resultados con respecto a sus ganancias. CFD, puede responder a las grandes cuestiones de diseño térmico: ¿Qué componentes necesitan disipadores de calor? ¿Este consejo para sobrevivir en un sistema cerrado, sin ventilación forzada? ¿Qué grado de mejora en el rendimiento pueden ofrecer las vías térmicas?
En el ejemplo, que se ilustra en este artículo, compara una serie de estrategias de diseño para responder a estas preguntas.
El diseño y la definición de una Set-Top Box
Figura 1. set-top box modelo CAD 3D.
La Figura 1, muestra el modelo CAD 3D, de un set-top box (STB), con la opción de ventilación superior e inferior. Desde el punto de vista térmico, el objetivo del diseño, es la de mantener los circuitos críticos (U1 y U2), por debajo de 80 ° C y la temperatura interior del armario debajo de 45 ° C, todo ello, en un ambiente de 25 ° C ambiente.
La distribución de cobre se representa mediante una topología desarrollada para el análisis a nivel de sistema. Hasta hace poco tiempo, la sobrecarga de cómputo necesario para resolver los intrincados detalles de diseño, superaba cualquier ganancia de precisión en un entorno de diseño térmico. El tiempo de solución, más el tiempo necesario para convertir los datos en 2D, a la representación 3D, es necesario, hace que no resulte de incluir el efecto del cobre sobre la transferencia de calor. Pero los avances en electrónica CFD refrigeración, con las herramientas de análisis ahora permiten a los diseñadores a considerar esta información, con frecuencia crítica. La figura 2 muestra la disposición de seguimiento del tablero de STB en la izquierda y el equivalente a la representación térmica, modelo de diseño de la derecha. Figura 2. herramientas CFD puede traer los efectos del contenido de cobre en el PCB, en la evaluación térmica. Se muestra: Maestro de Gráficos de modelo FloTHERM.
El establecimiento de la línea de base térmica
El siguiente paso es realizar un análisis de referencia para determinar si cualquier acción de diseño es necesaria. Después de todo, el diseño puede ser perfecto después de la primera ronda. Pero eso no es el caso de nuestro ejemplo. El análisis CFD, revela que las superficies de U2 y la parte superior e inferior de la caja están fuera de especificación, como se muestra en la Figura 3. En cada punto de vista de referencia, las tonalidades rojas simbolizan temperaturas que están por encima del rango permitido.
Figura 3. Temperaturas de la superficie de referencia.
Agregar vías térmicas al aumentar la ruta de calor. Estas vías deben mejorar la conducción del calor hacia la superficie inferior del tablero, donde se conveccióna calor más eficazmente. Esta estrategia, es común para los circuitos que con una gran superficie de contacto con el PCB, de los cuales el QFN, es un ejemplo. La esperanza, es que el tratamiento a través logrará bajar la temperatura de los componentes del IC, y reducir la temperatura de superficie en el recinto de negociación. Llevar a los sumideros de calor de calor, hacia arriba Los disipadores de calor, no son sino una táctica predeterminada para el alivio del calor. En nuestro segundo análisis CFD, hemos añadido los disipadores de calor a U1 y U2. Esto proporciona una vía de transferencia de calor secundaria, mediante la adición de dos convectivas y la superficie de radiación, a la superficie superior de los paquetes de CI. Lamentablemente ni el QFN, ni el PBGA (U1), son tipos de paquetes ideales para la transferencia de calor, eficiente de sus superficies superiores, y los resultados fueron modestos. En algunos casos, una ganancia marginal puede ser suficiente para satisfacer las necesidades térmicas del producto. En otras palabras, vale la pena intentarlo. Si la temperatura de los componentes es lo suficientemente reducida, entonces la temperatura de la superficie externa se reducirá en el rango permitido. No todos los enfoques son de Igualdad Un cambio físico en la forma de PCB, o el diseño de la caja, a veces puede mejorar la transferencia de calor, sin necesidad de utilizar otros componentes o etapas de fabricación. Por supuesto, esto es una idea atractiva para los tomadores de decisiones de negocios, pero puede o no puede ser el mejor enfoque. Lo importante aquí, es para validar o rechazar conceptos tales principios en la línea de tiempo de un proyecto, a fin de evitar la perpetuación de "elegante" para las soluciones ineficaces. En una primera fase de nuestro proyecto de análisis, hemos añadido los respiraderos en la parte inferior trasera, y parte superior frontal de la caja y también se anotó s la placa PCB, con la intención de aumentar el área de flujo. La imagen superior en la Figura 4, muestra una propuesta esbozada (no una salida de CFD) que ilustra el resultado esperado de este rediseño. Parecía posible, que el aumento de la entrada y el área de escape, podría generar suficiente flujo de flotabilidad impulsado a reducir significativamente las temperaturas de funcionamiento de U1 y U2.
La imagen inferior de la Figura 4, es el resultado de un análisis CFD, más pragmático. Se revela que, si bien los patrones de flujo imaginarios son esencialmente correctos, la cantidad de flujo generado (25 ft / min máximo), no es adecuada para producir las mejoras necesarias en IC o temperatura de los recintos de la superficie. Debido a este comportamiento, se ha detectado y comprobado al principio del proceso, esta opción no fue seguida. Figura 4. Imaginó la expresión de rendimiento frente a CFD predicción.
Las placas de blindaje Aislar y Aísle
Implementaciones de la placa de blindaje, mostró resultados prometedores en nuestro análisis. La idea detrás de esta idea, era que si la junta superficies irradiadas a una placa de baja emisividad, Los paquetes de placa en el IC, se volvería más aislado de su entorno. Esto extrae el calor y reduce las temperaturas de la radiación en el recinto exterior, aunque a costa de un aumento de las temperaturas del IC.
Se consideraron tres escenarios de la placa de protección: un radiador superior en contacto con U1 y U2, El radiador, no esta en contacto directo, Y un radiador más bajo (por debajo de la PCB), en dos tamaños diferentes. Figura 5 se muestra el diseño que tiene el superior del radiador en contacto con U1 y U2, presentan en la Tabla 1 como "D-5."
Los diseños que directamente se dirigieron a la temperatura de funcionamiento de U1 y U2, tuvo poco efecto en la temperatura del recinto. La única estrategia en las iteraciones de diseño, que vale la pena, fue el uso de vías en D-2. Pero incluso, este enfoque reduce la temperatura de funcionamiento de U2, sólo un 7%. La estrategia de blindar los dos lados del tablero, se examinó por primera vez en D-4, la reducción de la temperatura del recinto superior en un 40%, pero causó en U2 sobre calentamiento, y tuvo poco efecto en la parte inferior de la caja. Sin embargo, los cambios de blindaje proporcionaron mejoras significativas, y se convirtieron en la plataforma para una mayor investigación. Diseño 6 (D-6), en los que el escudo superior se hundió a U1 y U2, y el escudo de fondo cubrió toda la parte inferior del tablero, entregó un rendimiento aceptable. El siguiente paso es el análisis del diseño, sería para optimizar el rendimiento térmico de la STB, en relación con el proyecto de blindaje. La Tabla 1 resume los seis de los escenarios.
Cada enfoque intentamos aprovechar métodos probados de enfriamiento: la difusión de la calor cerca de su fuente a través de la conducción, aumentando las rutas térmicas existentes y cultivar nuevos caminos. Pero sólo uno (D-6) fue suficiente para alcanzar los objetivos de la temperatura, tanto para los dispositivos IC internos y las superficies del recinto exterior. Cuando la temperatura táctil externa, es uno de los requisitos de diseño para un producto, la pregunta de "dónde y cómo" el calor se desplaza aguas abajo (desde la fuente a la temperatura ambiente), se convierte en muy importante. La evaluación rigurosa térmica, es un paso crucial para asegurar que los usuarios finales reciban productos que sean seguros y cómodos de usar. Este es un desafío, a la medida para los modernos instrumentos de análisis de CFD. Cuantificación de los problemas, y explorar soluciones a través del análisis CFD, basado en principios en el proceso de diseño, es la mejor manera de equilibrar los componentes de refrigeración, y anexo. Métodos de análisis CFD acelerar el proceso y proporcionar resultados fiables. John Wilson, es Gerente de Ingeniería de Aplicaciones, Región Occidental, de la División de Análisis de mecánica de Mentor Graphics. Figura 5. Vista isométrica de Diseño 5 (D-5). El superior del radiador está en contacto con U1 y U2, y la inferior del radiador es el menor de dos tamaños que se evaluaron.
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