史上最全的Flotherm軟件與Icepak軟件比較
電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題一直是大家關(guān)注的重點(diǎn)之一，嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，散熱設(shè)計(jì)也成為質(zhì)量及效率的關(guān)鍵點(diǎn)。作為輔助工具，熱仿真軟件的高效率、低成本以及便捷地可視化分析，使其在熱設(shè)計(jì)中的作用越來(lái)越突出。
在電子散熱領(lǐng)域，F(xiàn)lotherm和Icepak是當(dāng)今最流行的兩個(gè)仿真軟件，各有特點(diǎn)，下面我們就從市場(chǎng)份額、易用性、模型庫(kù)等方面比較一下這兩個(gè)軟件。
1988年，F(xiàn)lomerics公司推出Flotherm軟件，從此，F(xiàn)lotherm開(kāi)始了如火如荼征服全球電子散熱市場(chǎng)的征程。2008年Mentor公司并購(gòu)Flomerics Group PLC之后，整合之前Flomerics公司與Mentor公司資源，成立了一個(gè)全新的部門——Mechanical Analysis Division（MAD）,延續(xù)并強(qiáng)化FloTHERM軟件產(chǎn)品的研發(fā)、市場(chǎng)營(yíng)銷、銷售、技術(shù)支持以及在全球范圍內(nèi)提供咨詢服務(wù)，并成為電子設(shè)備散熱分析領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，其市場(chǎng)占有率一直排名全球第一，占有率高達(dá)80%。
Icepak軟件由Fluent公司專門為電子產(chǎn)品工程師定制開(kāi)發(fā)的專業(yè)的電子熱分析軟件，但I(xiàn)cepak產(chǎn)品并非該公司主打產(chǎn)品，研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模較小，發(fā)展至今市場(chǎng)份額遠(yuǎn)低于Flotherm。
Flotherm軟件全球用戶市場(chǎng)調(diào)查96%愿意推薦此仿真工具應(yīng)用在電子電力領(lǐng)域研發(fā)中。軟件設(shè)計(jì)符合框架簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)廠家短期培訓(xùn)便可著手進(jìn)行電子電力等方面的熱設(shè)計(jì)及分析。
A) Flotherm軟件的建模以Smartpart為主，其模塊化的建模思路，可以使用戶在使用過(guò)程中完全如搭建積木的方式完成主體建模過(guò)程，進(jìn)而使建模效率大大提高，用戶建模操作方便高效；
B) Flotherm的網(wǎng)格劃分是以自動(dòng)化為主，局部加密為輔，幾分鐘就可以完成。網(wǎng)格質(zhì)量魯棒性很好，仿真結(jié)果與網(wǎng)格相關(guān)性很小，即使剛開(kāi)始入手的熱分析工程師也可以得到很精準(zhǔn)的仿真結(jié)果。
C)能對(duì)輸入的幾何體局部或全局進(jìn)行熱阻網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，省去詳細(xì)模型構(gòu)建，此方法可以大大節(jié)省建模和仿真周期。
Icepak軟件主要依托于其公司通用CFD的Fluent求解器及IcemCFD通用網(wǎng)格劃分模塊。使用者最好是要有計(jì)算流體分析背景才能很好的掌握使用。
A) ICEM網(wǎng)格劃分模塊軟件，并非專為電子散熱行業(yè)開(kāi)發(fā)，其主要用于通用CFD應(yīng)用中，工程師需花費(fèi)較大精力去學(xué)習(xí)如何構(gòu)建網(wǎng)格和提供網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格魯棒性不是很好，不同的網(wǎng)格劃分經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生差異較大的結(jié)果，要得到一個(gè)較好質(zhì)量網(wǎng)格需要較長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累。
B)其求解器也是基于通用CFD應(yīng)用的基礎(chǔ)上，用戶特別是電子機(jī)械工程師方面的用戶在面臨求解器模型選擇問(wèn)題上會(huì)有很大出入，需要很強(qiáng)的流體力學(xué)背景才能選擇出較好的計(jì)算模型去仿真分析，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)不收斂。
基于互聯(lián)網(wǎng)的IC封裝在線熱分析模型庫(kù)【www.flopack.com 】是Mentor公司聯(lián)合Philips公司、ST微電子、Infineon英飛凌、Nokia諾基亞公司及布達(dá)佩斯大學(xué)、TIMA、MICReD等研究機(jī)構(gòu)共同承擔(dān)的PROFIT項(xiàng)目成果，工程師僅需要輸入芯片封裝的外觀參數(shù)就可以自動(dòng)獲得IC內(nèi)部詳細(xì)熱結(jié)構(gòu)的FLOTHERM精確模型和與環(huán)境無(wú)關(guān)的DELPHI簡(jiǎn)化模型；FLOPACK網(wǎng)站支持全球所有主流廠家的關(guān)鍵IC器件封裝類型并在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)升級(jí)更新。目前FLOPACK模型已被JEDEC組織定為全球IC熱分析標(biāo)準(zhǔn)模型,也是業(yè)內(nèi)最權(quán)威最豐富的電子封裝模型數(shù)據(jù)庫(kù)。
雖說(shuō)Icepak軟件目前也有類似的庫(kù)，但從模型庫(kù)的豐富程度及準(zhǔn)確程度來(lái)說(shuō)，還是不足以與Flotherm相提并論。
1） Flotherm 從屬于Mentor公司，Mentor公司是全球三大EDA行業(yè)的領(lǐng)跑者，故熱分析軟件和EDA接口之間建立了更好的溝通接口。Flotherm可以直接讀取Allegro, Mentor, Zuken等主流EDA公司的PCB板及其器件的幾何信息和每層銅線分布，保證了熱仿真的準(zhǔn)確性。并且目前Flotherm版本可以考慮PCB板內(nèi)銅線產(chǎn)生的DC產(chǎn)生的焦耳熱，對(duì)于大功率板子在熱分析方面是非常有必要考慮的。其它同類軟件是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。
2） 在CAD接口方面，不但完全支持通用的CAD格式如IGES、SAT、STEP、STL，DXF等格式，而且也可以直接讀入如Solidawork, ProE,Catia等主流三維實(shí)體模型。再結(jié)合其自身的Smartpart架構(gòu)和Flopack網(wǎng)上在線數(shù)據(jù)庫(kù)使得FLotherm在模型構(gòu)建方面效率大大提高。
3） 目前版本的Flotherm可以直接讀取硬件測(cè)試工具如T3Ster測(cè)試的器件從結(jié)構(gòu)到環(huán)境的熱阻分布數(shù)據(jù)，這一特點(diǎn)可以規(guī)避在仿真軟件中各種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)的不確定性，直接從硬件測(cè)試的數(shù)據(jù)中在Flotherm中建立起熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行快速分析。
Icepak因?yàn)槭菑膶儆贏nsys公司，其背景是機(jī)械強(qiáng)度領(lǐng)域方面，且其主流的流體軟件是Fluent，所以在EDA接口方面無(wú)論從開(kāi)發(fā)力度和銜接鏈條方面都是距flotherm有很大差距的。CAD接口方面，目前版本還是可以的。ICEPAK在和電子器件熱特性測(cè)試方面的銜接很匱乏，因?yàn)槠涔镜闹鞴シ较虿辉谶@里。
Command Center：簡(jiǎn)稱CC模塊，是Flotherm軟件獨(dú)有的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，集成在Flotherm的軟件框架內(nèi)，用戶可以對(duì)幾乎任何設(shè)計(jì)變量如風(fēng)扇與通風(fēng)孔、散熱片等的位置、尺寸、形狀、材料，網(wǎng)格等進(jìn)行全方位的優(yōu)化，還會(huì)自動(dòng)將各種設(shè)計(jì)組合在仿真結(jié)束后生成分析結(jié)果圖表報(bào)告并提示選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。CC模塊中擁有先進(jìn)的DOE(Design of Experiment)和RSO響應(yīng)面模型，可以指導(dǎo)客戶快速的比較設(shè)計(jì)方案，選出最優(yōu)方案，另外其另一強(qiáng)大的SO(Sequential Optimization)優(yōu)化模型可以進(jìn)行全局及多目標(biāo)優(yōu)化。
由于Icepak軟件由于其網(wǎng)格是依托于通用CFD思路構(gòu)建的，在優(yōu)化過(guò)程中網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整需人為參與太多，而軟件要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，網(wǎng)格密度勢(shì)必變化，故很難保證優(yōu)化質(zhì)量。
Flotherm使用Monte-Carlo法結(jié)合射線追蹤法，具有同Sinda等專用軟件類似的輻射計(jì)算精度。不但全面計(jì)算物體間的灰體輻射，還可以計(jì)算太陽(yáng)輻射對(duì)設(shè)備的影響。獨(dú)有高精度輻射計(jì)算模式，非常適合密封結(jié)構(gòu)電子機(jī)箱的熱分析。
對(duì)于太陽(yáng)輻射，軟件充分考慮了太陽(yáng)輻射與普通紅外輻射的波段不同(太陽(yáng)輻射主要集中在紫外段和可見(jiàn)光段，其表面吸收率和紅外輻射是不一樣的)，同時(shí)可以考慮半透明物質(zhì)的對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射和透射，以及折射效果。
同時(shí)Flotherm可以考慮環(huán)境的瞬態(tài)模擬，可以對(duì)戶外設(shè)備處于變化環(huán)境下的瞬態(tài)模型。
Icepak太陽(yáng)輻射采用類似燈泡照射的方法來(lái)處理，本身就無(wú)法模擬真實(shí)的太陽(yáng)照射，不但要工程師自己確定照射角，而且輻射能分布也不是平行光束，其計(jì)算結(jié)果有明顯誤差。
Flotherm針對(duì)電子散熱領(lǐng)域，采用當(dāng)前最先進(jìn)的多層非連續(xù)（嵌入式網(wǎng)格，且嵌入網(wǎng)格的使用幾乎沒(méi)有限制）網(wǎng)格技術(shù)，不但網(wǎng)格生成容易，而且計(jì)算快速快速穩(wěn)定，并且其零部件的網(wǎng)格可以打包成單元，在系統(tǒng)級(jí)模型中直接調(diào)入即可完成，既保證了分析精度又節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。經(jīng)過(guò)20多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，此類網(wǎng)格設(shè)計(jì)從計(jì)算精度和速度上，非常適合電子散熱行業(yè)領(lǐng)域。
Icepak網(wǎng)格劃分依托于ICEM網(wǎng)格生成器，并非專為電子散熱行業(yè)開(kāi)發(fā)，其主要用于通用CFD中。網(wǎng)格構(gòu)建過(guò)程對(duì)于非計(jì)算流體專業(yè)背景的工程師難度是較大的，學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，網(wǎng)格的魯棒性較弱，不同的網(wǎng)格劃分往往會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差別較大，甚至計(jì)算不收斂。
Icepak支持非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，但計(jì)算速度慢、內(nèi)存占用較大，最大支持的網(wǎng)格數(shù)在100萬(wàn)左右。
Flotherm軟件的計(jì)算速度是目前同類軟件中占用硬件資源最少，速度最快的求解器。單機(jī)32位操作系統(tǒng)2G內(nèi)存，可以求解300-400萬(wàn)網(wǎng)格的大模型。如果是64位操作系統(tǒng)1000萬(wàn)網(wǎng)格的案例也是沒(méi)問(wèn)題的，一般的中等的模型只需幾十分鐘計(jì)算即可完成。
l Icepak軟件要在普通32位臺(tái)式電腦上運(yùn)算200萬(wàn)網(wǎng)格的模型就已經(jīng)很苦難了，一百萬(wàn)網(wǎng)格以內(nèi)有時(shí)也會(huì)經(jīng)常計(jì)算中斷，對(duì)于目前的電子設(shè)備高密度的趨勢(shì)，達(dá)到一百萬(wàn)網(wǎng)格甚至幾百萬(wàn)網(wǎng)格也是很正常的，故在計(jì)算規(guī)模及速度上較Flotherm差距較大。
在計(jì)算時(shí)，Icepak軟件在Fluent求解器和ICEMCFD網(wǎng)格計(jì)算時(shí)必須對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行投影計(jì)算，計(jì)算時(shí)間很慢。
Flotherm的后處理功能在目前同類電子散熱分析軟件里在指導(dǎo)設(shè)計(jì)和分析方面是最針對(duì)性的。其后處理結(jié)果可以幫助工程師直觀地，有針對(duì)應(yīng)的對(duì)其產(chǎn)品熱性能進(jìn)行全面評(píng)估，具體特點(diǎn)如下：
A) 獨(dú)創(chuàng)的熱瓶頸（Bn）,熱捷徑（Sc） 參數(shù)不僅是用戶能夠定量定性的分析當(dāng)前設(shè)計(jì)方案下的熱性能情況，而且更有針對(duì)性的指導(dǎo)用戶去改進(jìn)不合理的熱結(jié)構(gòu)。此類參數(shù)是電子熱分析領(lǐng)域的一次小小飛躍。
B) 動(dòng)態(tài)的示蹤粒子軌跡動(dòng)畫顯示，不但可以在三維空間觀察流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還可以觀察到真實(shí)的熱流狀態(tài)；同時(shí)可用顏色表示溫度、速度、壓力等在不同空間位置的變化，可以使用戶更加清楚目前流場(chǎng)的溫度，速度，壓力等參數(shù)的變化；
C) 瞬態(tài)分析中任何求解量隨時(shí)間變化的圖形和曲線都可以任意的顯示出來(lái)；
D) 定量的數(shù)據(jù)可以通過(guò)excel表直接輸出，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
ICEPAK因其依托于通用CFD應(yīng)用領(lǐng)域，在電子散熱領(lǐng)域方面其數(shù)據(jù)的豐富性及其對(duì)電子設(shè)計(jì)方面針對(duì)性指導(dǎo)性較Flotherm要弱一些。
Flotherm軟件提供了完整的電子電力散熱集成分析工具平臺(tái)，包括：
a) IC熱封裝模型庫(kù)FLOPACK；
b) 板級(jí)熱設(shè)計(jì)軟件FLO/PCB；
c) 熱設(shè)計(jì)軟件FLOTHERM；
以上三款產(chǎn)品相互之間均可進(jìn)行無(wú)縫的聯(lián)接，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，可以提供從芯片到整機(jī)，從電路工程師到結(jié)構(gòu)工程師再到熱設(shè)計(jì)工程師完整的設(shè)計(jì)協(xié)同。
Mentor公司提供的熱集成分析環(huán)境特點(diǎn)有：
1）FLOPACK為目前唯一為JEDEC組織認(rèn)證的熱封裝模型庫(kù)，也是唯一達(dá)到商業(yè)化的IC熱封裝數(shù)據(jù)庫(kù)，在提供芯片詳細(xì)模型的同時(shí)，還可以提供熱阻網(wǎng)絡(luò)DELPHI模型和雙熱阻模型；
2) Flotherm，F(xiàn)loPCB都可以直接讀取主流EDA所構(gòu)建的板子和器件，銅線分布，過(guò)孔等信息，縮短了仿真周期，提高了仿真精度；
3) FLOPCB軟件和FLOTHERM軟件都可以導(dǎo)入FLOPACK中的芯片模型進(jìn)行熱分析，同時(shí)FLOPACK還可以針對(duì)在FLOTHERM軟件中修改過(guò)后的芯片模型生成熱阻網(wǎng)絡(luò)DELPHI模型；
4）FLOPCB軟件可以導(dǎo)入FLOTHERM軟件整機(jī)模型的局部環(huán)境作為邊界條件進(jìn)行板級(jí)分析，同時(shí)FLOTHERM也可以導(dǎo)入FLOPCB中的單板模型組合進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的完整分析。
Icepak軟件開(kāi)發(fā)及影響實(shí)力有限，市場(chǎng)占有率較低，熱設(shè)計(jì)鏈條較薄弱。
Flotherm軟件由于占有市場(chǎng)上的絕對(duì)份額，故在電子工業(yè)的上下游形成了相當(dāng)完整的產(chǎn)業(yè)鏈：
1） 各大芯片廠商(Intel、AMD、Philips、ST、Nokia、Samsumg、Fujitsu、Toshiba、Infineon等)向下游客戶提供了相關(guān)芯片的Flotherm熱模型。
2） 電源廠商(Delta、EMERSON、ASTEC、Delco)使用Flotherm軟件分析其電源產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)。
3） 通訊廠商(Bell、Lucent、Alcatel、3Com、Cisco、Siemens、Nokia、Nortel等)使用Flotherm軟件進(jìn)行通訊設(shè)備的熱分析。
4） 計(jì)算機(jī)行業(yè)(Dell、Lenovo、Asustek、Compal、Inventec、Quanta、Acer、NEC、Sony)使用Flotherm分析軟件。
1） 電子代工業(yè)巨頭(Celestic、Solectron、Foxconn)使用Flotherm軟件。
由于Flotherm應(yīng)用面廣，上下游供需雙方都廣泛使用Flotherm軟件，故可以采用Flotherm軟件方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)和模型交互。
而Icepak由于市場(chǎng)占有率低，產(chǎn)業(yè)鏈方面無(wú)法與Flotherm相提并論。
就一般的應(yīng)用來(lái)講，F(xiàn)lotherm建模方便快速，網(wǎng)格劃分高效簡(jiǎn)潔，仿真各項(xiàng)設(shè)定定制化程度低，相對(duì)容易上手。為了提高建模和計(jì)算效率，F(xiàn)lotherm提供了大量的smartpart快速建模的宏命令，摒棄了繁雜的模型篩選，無(wú)論是幾何建模，網(wǎng)格劃分，還是流動(dòng)、傳熱模型的篩選，自動(dòng)化程度都很高。而且通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，如果模型設(shè)置合理，計(jì)算精度可以滿足常規(guī)電子散熱設(shè)計(jì)的要求。
相對(duì)于Flotherm，對(duì)于常規(guī)的電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)來(lái)講，Icepak的核心優(yōu)勢(shì)是支持非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而可以更加便捷、更高精度地支持曲面結(jié)構(gòu)。Icepak可以直接對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格離散化這一點(diǎn)往往被誤認(rèn)為Icepak更簡(jiǎn)單，實(shí)際上并非如此。由于支持非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和接受不加修飾的原生CAD對(duì)象，Icepak的前處理，尤其是網(wǎng)格劃分部分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比Flotherm復(fù)雜。當(dāng)模型中導(dǎo)入了CAD結(jié)構(gòu)后，不合適的設(shè)置經(jīng)常導(dǎo)致各種各樣的錯(cuò)誤。很多情況下，如果異形體的網(wǎng)格質(zhì)量沒(méi)有得到合理控制，其計(jì)算精度甚至不如將各曲面簡(jiǎn)化為直方直棱的、使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格就可完美描述的對(duì)象進(jìn)行仿真。而如果簡(jiǎn)化為這樣的對(duì)象的話，F(xiàn)lotherm也可處理。同為處理結(jié)構(gòu)化對(duì)象時(shí)，F(xiàn)lotherm的建模效率則會(huì)明顯勝出。
