[发明专利]一种用于电路板产品热致失效及可靠性评估的热分析方法

说明书

本发明涉及一种用于电路板产品热致失效及可靠性评估的热分析方法，该方法包括：基于eyeshot三维几何建模；物理、数学建模和算法定制；与OpenFOAM之间的数据传递；驱动OpenFOAM进行网格划分和数值仿真计算；监测OpenFOAM计算状态；解析并读取OpenFOAM结果文件，通过eyeshot，按照用户要求输出流场、温度场等计算结果及图形文件。本发明根据实际电路板产品，结合三维建模、可视化显示软件eyeshot和开源CFD软件OpenFOAM，实现OpenFOAM用于电路板产品热分析的建模、前处理和后处理的可视化，形成了一套科学、准确、高效、便捷的基于OpenFOAM的用于电路板产品热致失效及可靠性评估的热分析方法，该方法实现了计算机自动完成大量的人工交互的程序工作。基于此方法进行传热数值模拟和相应的设计工作，能够极大地提高工作效率。

所属技术领域

本发明涉及流体传热数值仿真技术领域，特别是一种用于电路板产品热致失效及可靠性评估的热分析方法。

背景技术

随着电子产品设备集成度和性能的不断提高及向微型化的发展，其工作状态下热流密度不断增加，散热问题己成为制约电子技术发展的主要因素之一。对电子产品进行热分析，可以获得一定工作状态下的电路板、元器件等设备的温度场分布等三维特征参数，可用于评估电子产品的寿命，并为产品的设计和改进提供指导和理论依据，同时又是一种科学、经济、便捷的设计方法。

电子产品中的传热方式主要包括传导、对流、辐射，其中，对流的传热方式决定了电子产品热分析属于流体传热数值仿真。鉴于电路板等电子产品模型的精细化和复杂性，以及对其热分析结果的精度有较高的要求，因此有必要对电路板产品四周和内部流体的流动特性进行计算分析。通过对电路板产品进行计算流体动力学(CFD)建模仿真，能够科学准确地对流体流动特性进行分析，进而获得较为准确的热分析结果。

CFD作为统领流体计算研究领域的核心，已经经历过了长时间的发展。伴随其发展涌现的大批商业软件和计算程序现已在涉及流体流动的领域发挥着巨大的作用。自1981年以来，出现了如Phoenics、CFX、Star-CD、Fluent等大量商业化CFD软件。对于各类流体的流动，它们都提供了大量的算法解决方案，并支持多种多样形式的网格。软件商业化确实提高了其功能的丰富性和操作的便捷性，但作为CFD数值仿真软件，其商业化也存在着一些不足：1)要使用该类商业化软件，则必须支付高额的费用并遵守软件使用许可协议；2)商业软件的源代码大多是封闭性的，用户无法查看软件的核心算法。当用户需要获得更高的数据精度或者需要自定义离散格式、求解器算法时，只能在软件提供的若干种内选择，无法完成拓展自定义功能和深度定制；3)鉴于商业软件的设计理念侧重操作的便捷性及界面的美观性，使得它们所适用的平台较少，而目前进行大规模并行计算时大多数使用的是更为安全、高效、稳定的Linux或者UNIX操作系统。因此商业软件在大规模的并行计算中难以保证计算效率。

OpenFOAM基于Linux运行的开源软件，其代码完全公开，且包含大量的可以自由组合的C++模块和湍流模型、SnappyHexMesh网格划分模块、有限体积法离散模块、误差控制与分析模块、计算控制模块等。基于这些模块，可以方便地编制出可以用于模拟电路板产品流体湍流、热传导、热辐射在内的复杂流体运动的求解器。

电路板产品传热数值仿真主要涉及到几何建模、网格划分、数学建模、数值求解和结果后处理五个部分。尽管OpenFOAM具有灵活、开放、免费等优点，但电路板产品几何建模、网格划分、数学建模需要花费大量的时间和人力资源，并且需要使用者具有较丰富的传热数值仿真经验，才能完成复杂的几何建模，密度、数量和质量较为合理的网格划分以及合适的离散方法、误差控制方法、求解器算法的选择等工作。另外，OpenFOAM在几何建模、结果后处理部分功能较弱，建模、前处理和后处理无法可视化，通常由第三方软件辅助完成几何建模和结果后处理，因此在多个软件之间需要程序人员交互完成大量的程序操作，也需要花费大量的时间和精力。