电子技术飞速发展的当下，电子元件不断朝着轻薄化、小型化与高性能化迈进。这使得电子产品的运算速度、频率以及集成度大幅提升，然而，随之而来的热失效问题也愈发严峻。

据相关统计，电子设备因温度超出规定值而引发的失效情况，在总失效率中占比超过55%。因此，电子设备的热设计在产品研发进程中占据着举足轻重的地位。热分析软件能够真实地模拟电子设备的热状况，借助热仿真得出电子器件的最高温度，有助于在产品研制阶段提前察觉热问题。

随后，通过采取相应的散热举措开展优化设计，降低元器件工作时的最高温度，使其契合使用要求，进而极大地缩短产品的研制周期。Icepak软件便是一款由知名公司开发的专业电子散热分析软件，可对各类电子设备进行散热模拟。

接下来，本文将结合工程实际，依据热传学原理，运用Icepak软件对板级电路展开热仿真分析与优化设计的探讨。

一、板级电路有限元热分析模型

1.1 模型简化

在进行仿真之前，通常会借助CREO等三维建模软件构建电路板的三维模型。为了便于后续的网格划分操作，同时保障流体仿真的准确性，需依据一定原则对三维模型予以简化：

其一，忽略印制板上那些发热极少甚至几乎不发热的电容器、电阻器等元件；

其二，将印制板以及发热元器件视作理想几何体，去除诸如倒角、圆角以及尖角等特征；

其三，仅考量电路板与周围空气之间的相互作用，而不考虑电气线路对热场产生的影响；

其四，假定印制板上所有发热元器件均为各向同性且具备均匀的导热性能。经过上述简化处理后的热仿真模型，能够在有效减少计算量的同时，更大程度地保留对热分析起关键作用的因素，为后续的仿真工作奠定良好基础。

1.2 模型导入及边界条件设置

利用ANSYS相关板块将构建好的电路板模型转化为Icepak能够识别的几何模型，再借助Workbench的链接功能，把处理完毕的模型导入至Icepak软件当中。在进行仿真之前，首要任务是设置模型的计算区域。

一般会将Cabinet的6个面均设为Opening开口边界，并且依照自然对流计算空间设计原则来设置Cabinet的体积参数，如此便可得到符合要求的电路板Cabinet模型。

假设此次仿真的电路板主要涵盖1个PCB基板、12个发热元器件、2个超级电容以及2个连接器。需要依据实际情况详细设置各个发热元器件的材料以及热耗参数，同时也要对PCB板及其他零件的材料参数进行准确设定。

此外，还需设定环境温度，比如设为85℃，并明确采取自然散热的方式。

在仿真计算前，要在Basic parameters面板中选择Radiation下的On选项，以此打开辐射换热功能；将 Radiation下的辐射换热类型选定为Discrete ordinates radiation model模型；在Flow regime面板下选择Turbulent，并默认使用Zero equation零方程模型，实践证明该模型足以保障电子散热计算所需的精度；选择Natural convection(自然对流)下的 Gravity vector，充分考虑合理的重力方向；在Solution initialization中，设置重力方向反向的速度为0.15m/s，以此表示求解初始化时的速度。

通过对这些边界条件的精确设置，能够使仿真模型更加贴近实际工作场景，从而提高热分析结果的准确性。

1.3 网格划分

网格划分是实现CAD模型向CAE模型转换的关键且必要步骤，其网格质量的优劣对仿真结果的准确性有着至关重要的影响。HD网格作为Icepak默认的首选网格类型，尤其适用于对导入的CAD对象进行划分。

因此，在对电路板模型进行网格划分时，通常会选择Mesher－HD网格。划分完成后得到的电路板网格模型，需要对其网格面的对齐率、网格体积、网格偏斜度等关键指标进行检查。

经检查确认网格质量良好，满足网格质量准则要求后，方可进行后续的仿真计算。高质量的网格划分能够更精准地对模型进行离散化处理，使得数值计算结果更接近真实情况，为板级电路的热分析提供可靠的数据基础。

二、板级电路有限元热分析及试验验证

运用Icepak的求解功能对构建好的电路板有限元模型展开求解计算，通常需要预先设置求解步数，例如设为100步。在计算过程中，会生成残差曲线，当求解步数达到一定程度，如90步时收敛，此时表明计算结果较为可靠。

借助Icepak的后处理功能，可以直观地得到电路板A、B面的温度分布云图，同时也能获取各发热芯片的最高温度情况。通过对这些数据的分析可知电路板的最高温度以及最高温度出现的位置。

为了验证仿真结果的准确性，需要开展相关试验。

首先，利用高低温测试系统搭建电路板的高温试验模型，在试验过程中借助传感器探头精确监测发热芯片的温度变化。将高低温测试系统的试验温度设置为与仿真环境温度一致，例如85℃。

以发热最大的芯片为例进行温度监测，当高温试验持续1h后，温度基本趋于稳定，此时记录下测试温度值。采用同样的方法对各个发热芯片在该环境温度下工作时达到的最高温度进行测试并记录。将试验所得温度数据与仿真温度数据进行对比，若二者非常接近，则可证实仿真方法具备可靠性，仿真结果具有较高的准确性。

通过试验验证这一环节，能够进一步增强热分析结果的可信度，为后续的优化设计提供有力支撑。

三、考虑散热措施的板级电路优化设计

通过前文的热分析可知电路板发热芯片的最高温度，而芯片通常有其最高允许结温，并且根据经验值，为确保芯片稳定可靠运行，其最高温度一般应预留20％的安全空间。

若当前电路板发热芯片的最高温度超出了安全范围，就需要采取相应的散热措施来降低电路板的温度。常见的增强散热的方式包括增加有效换热面积、增加强迫风冷的风速、减小接触热阻、破坏固体表面的层流边界层以增加紊流度、减小热路的热阻以及增加壳体内外表面、散热器表面等的发热率等。

在实际应用中，可以综合运用多种散热方式来提升散热效率。例如，对电路板安装采用导热率良好材料（如5A06铝材）制成的散热器，并对散热器外表面设计凹槽，内表面设计凸台，同时使用导热胶垫与各个发热芯片紧密贴合，以此进一步增强散热效果。

利用Icepak软件对增加散热器后的电路板在同等条件下进行热仿真，对比增加散热器前后芯片的最高温度数据，可以清晰地看到增加散热器后电路板最高温度显著下降，并且满足芯片最高温度不超过安全范围的使用条件。这充分表明采取合理的散热措施能够有效优化电路板的散热效率，保障电路板稳定可靠地工作。

综上所述，Icepak热分析软件在板级电路的热分析及优化设计中发挥着重要作用。通过构建精确的热分析模型，进行全面的热分析并结合试验验证，再针对分析结果采取有效的散热优化措施，能够显著提升板级电路的散热性能，确保电子设备的稳定运行，缩短产品的设计周期，降低研发成本，为板级电路的研发提供价值的参考。