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Simcenter FLOEFDによる電子機器の熱解析

電子機器の複雑な形状に対して高度に自動化されたメッシュ分割と計算手法

使う人のスキルに依存せずに適切なメッシュが生成できることを基本コンセプトとして開発されました。さらに、メッシュの細かさに解析精度が依存しないことを目指して開発されました。
どんな複雑な形状にも対応できるよう直交メッシュをベースにしています。それに曲面を認識するためのカットセルという手法を組み合わせています。カットセルに特有の境界層計算の課題を独自の技術で解決しています。

コンピュータ筐体 メッシュ 熱流体解析

FLOEFDの完全自動メッシュの場合は、設定項目は初期メッシュのレベルと最小隙間サイズ2つのみです。プログラムが各空間の大きさに合わせたメッシュ寸法を適用します。また、レベルを変更するだけで全体のメッシュ寸法の大小を調整することができます。

メッシュ
メッシュ

境界層の厚さに比べてメッシュ寸法が小さい場合には一般的な壁関数によって計算し、メッシュ寸法が大きい場合には境界層方程式によって計算します。プログラム内部で自動的にこの2つの手法を組み合わせて計算します。

完全自動メッシュ 

​基板設計CADデータを利用して3次元モデル作成と配線パターンによる伝熱特性考慮

基板設計で作成したCADデータをインポートして自動的に3次元の熱解析モデルを作成します。それによって大幅にモデル作成の時間を節約し、かつ正確な3次元モデルが作成できます。
​同時に配線パターンの情報をインポートします。インポートした詳細な配線パターンの情報から基板の等価な熱伝導率で自動的にモデル化します。近年重要度が高くなっている発熱部品から基板への伝熱が精度良く解析できます。
​最小の作業時間で最高度に精細な熱解析モデルが作成できます。

基板設計 CADデータ 配線パターン

基板全体を小さな領域に分割して、領域ごとに配線パターンおよびビアを考慮した等価熱伝導率を自動計算して解析します。等価熱伝導率は水平2方向および厚さ方向の異方性熱伝導率を考慮します。

基板設計 CADデータ  配線パターン 発熱部品 解析

発熱部品から周囲空気までの熱の経路を可視化および分析し熱設計に活用

熱設計において最も重要なことは発熱部品から発生した熱をヒートシンクで放熱するのか、基板に伝えるのか、あるいはふく射で筐体に伝えるか、というように熱の経路を把握することです。さらには、どの経路が熱のボトルネックとなっているかを把握して、その箇所の熱抵抗を下げることで、電子機器全体の温度を効果的に下げることができます。
​部品から部品に、熱伝導、対流、ふく射で伝わっている熱量およびその割合を可視化して分析します。

可視化 発熱部品 ヒートシンク 基板 ふく射 電子機器 熱抵抗

温度予測の精度と計算時間の節約を両立する半導体パッケージの熱解析モデル

発熱する電子部品を単一のブロックでモデル化することが多いですが、このモデル化では電子部品の性能に影響を与えるジャンクション温度を予測することはできません。
ジャンクション温度を予測するためには、「2抵抗モデル」または「DELPHIモデル」を使用する必要があります。中でもDELPHIモデルは環境条件に依存しない汎用性の高い熱解析モデルです。
​半導体パッケージメーカーが提供しているDELPHIモデルをインポートして解析できます。

半導体パッケージ 熱解析モデル 2抵抗モデル  DELPHIモデル

過渡熱特性測定装置「T3Ster」の測定結果との合わせ込みによる熱解析モデルの高精度化

Simcenter T3STER / POWERTESTERは、電子機器の過渡熱応答を測定して構造関数を生成します。構造関数とは、内部の熱抵抗および熱容量を示します。
自動キャリブレーションでは、内蔵のパラメータスタディ機能を使用して、測定された応答に適合する各要素の特性や境界条件を取得し、過渡熱シミュレーションにおける最高精度の解析モデルを特定します。
例えば、熱伝導率が不確かな材料や、内部構造が不明な部品の寸法を同定します。

T3Ster 過渡熱特性測定装置 熱解析モデル 熱抵抗 熱容量

ユーザー事例 セイコーエプソン株式会社様

セイコーエプソン様ではSimcenter FLOEFD for Creoを利用してプロジェクターの効率的な冷却設計を実施し高付加価値な製品開発を実現しています。
成功要因は解析の初心者から上級者までが使える高い操作性と高度な解析機能を両立していることです。
初心者にとっては使い慣れた3次元CAD上でそのまま解析ができることと、メッシュ作成が自動でできることで解析することが容易になっています。
​同時に上級者が必要とする高度で高精度なモデル化機能も備えています。

セイコーエプソン株式会社 豊科事業所
ビジュアルプロダクツ事業部 VI企画設計部(取材当時)
(左から)阿部浩士氏、石橋直樹氏、菊池繁樹氏、湯沢史夫氏
冷却シミュレーション技術の向上

電子機器分野における適用例

電子機器分野における適用例 パワー半導体IGBT
ADASシステム
ヘッドライトくもり
携帯電話高密度実装基板
バッテリー充放電
センサーLiDAR放熱
モーター
プリント基板

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