研討會精華分享二：智能終端設(shè)計(jì)研發(fā)的仿真解決方案
11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&達(dá)索系統(tǒng)Simulia聯(lián)合主辦的“第二屆電子產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)提升研討會”，在深圳深航酒店成功召開。此次“電子產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)提升”主題研討會，旨在通過會議搭建一個(gè)開放的技術(shù)交流平臺，分享電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的成果與經(jīng)驗(yàn)，共同探討電子領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。以下，將為大家分享會議精華二：智能終端設(shè)計(jì)研發(fā)的仿真解決方案（深圳市有限元科技有限公司技術(shù)總工李冬生老師報(bào)告）。
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們的工作生活各個(gè)角落都有各種智能終端的身影，它們?yōu)槲覀兊墓ぷ餍?、生活便利性帶來了極大的提升。且不說我們離不開的智能手機(jī)、平板、智能電視，就連現(xiàn)在冰箱上也多了一塊屏，油煙機(jī)上也可以看著屏幕學(xué)做飯，還有各種各樣的如飯館的點(diǎn)餐機(jī)、智能收銀機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、智能心電儀、智能車載電子終端等所有可以連入互聯(lián)網(wǎng)直接面向用戶的智能設(shè)備。那么，CAE仿真在智能終端的研發(fā)中起到了什么作用呢？
智能終端產(chǎn)品的表象競爭力主要體現(xiàn)在以下方面
1、顯示；2、性能；3、信號；4、音效；5、續(xù)航；6、拍照；7、AI；8、。。。
智能終端的產(chǎn)品質(zhì)量要求主要體現(xiàn)在以下這些方面
1、穩(wěn)定的信號；2、可控的溫度；3、靜態(tài)承載；4、耐動態(tài)沖擊；5、疲勞耐久；6、防水；7、防塵；8、。。。
智能終端產(chǎn)品研發(fā)面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
一般情況下，智能終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)從專業(yè)學(xué)科角度出發(fā)，需要考慮以下方面：
智能終端散熱設(shè)計(jì)
“僅從芯片耗電量看，5G是4G的2.5倍”這意味著5G手機(jī)及其他智能終端產(chǎn)品導(dǎo)熱、散熱將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)！而熱設(shè)計(jì)總體的趨勢無外乎兩個(gè)方面，一是“開源節(jié)流”，二是“中間均勻”。
“節(jié)流”目的是減少芯片發(fā)熱功耗
“開源”目的是增加產(chǎn)品的散熱面積
“中間均勻”利用產(chǎn)品從芯片到系統(tǒng)的傳遞路徑，將熱分散化均勻化，均勻化的核心是在有限的時(shí)間內(nèi)快速均勻化，通常采用以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：
1、通常采用的技術(shù)
–選用導(dǎo)熱性能好的材料
–良好的導(dǎo)熱介質(zhì)材料
–石墨導(dǎo)熱技術(shù)應(yīng)用
–采用鋁后殼和金屬支架幫助散熱
2、可能采用的技術(shù)
–水冷/液冷
–超薄熱管的使用
–TEC設(shè)備
–峰值熱容的管理(熱沖擊)
–新材料和被動散熱設(shè)備的選用
智能終端電磁設(shè)計(jì)
智能終端中考慮最多最簡單的就是天線的電磁設(shè)計(jì)，天線的電磁設(shè)計(jì)需要考慮一下因素：
1、天線的尺寸
– 手機(jī)厚度越來越薄
– 天線的“凈空區(qū)”越來越小
– 工藝實(shí)現(xiàn)：彈片形式->FPC->LDS
2、多天線互耦，隔離度設(shè)計(jì)
?主天線
? GPS、BT、wifi、NFC等
3、OTA性能
?輻射效率TRP
?輻射靈敏度TIS
?不同工作環(huán)境的性能（頭、手影響等）
4、EMC兼容性
5、是否符合SAR標(biāo)準(zhǔn)
智能終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每個(gè)行業(yè)都會涉及，處理方法也更有不同，元王技術(shù)總工李冬生先生將智能終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)為兩種：一是“以剛克剛”，通過提高自身強(qiáng)度（更好的材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）來抵抗住外力；二是“以柔克剛”，通過緩沖實(shí)現(xiàn)應(yīng)力均勻化，來減少應(yīng)力集中；
以上散熱、電磁、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的種種方式，可能大家都會想到，而想到了如何設(shè)計(jì)好才是關(guān)鍵。那么就要考慮以下三個(gè)問題：
1、如何可靠設(shè)計(jì)
2、如何量化評估
3、如何優(yōu)化迭代
而在考慮三個(gè)問題的同時(shí)，很可能牽涉出以下種種的問題：固體力學(xué)、多體動力學(xué)、流體力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、多學(xué)科無耦合、多學(xué)科單向耦合、多學(xué)科雙向耦合......
其中，多場耦合是比較復(fù)雜難處理的：
如此之多的問題，依靠理論計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)來解決實(shí)在是太困難了，解決方案就是采用CAE仿真。通過事前定方案，事中保設(shè)計(jì)，事后找問題，能夠有效幫助大家解決大部分的問題。
智能終端仿真應(yīng)用案例
案例1：手機(jī)散熱優(yōu)化
初次仿真發(fā)現(xiàn)指紋膜溫度過高，建議采取下面兩個(gè)措施改善此處溫度：
1、將石墨片貼在鋼片上側(cè)并且覆蓋鋼片（如紅色線框區(qū)域）；
2、導(dǎo)熱硅膠纏繞在指紋模組周圍并與后蓋貼緊（如圖綠色線框區(qū)域），導(dǎo)熱硅膠厚度與指紋厚度平齊；
通過優(yōu)化措施，后蓋指紋膜處溫度改善了3 ℃左右。
案例2：終端天線-電磁仿真
原始天線厚度在10mm，隨著智能手機(jī)PCBA降低至5mm，天線需要滿足終端尺寸更小的要求，同時(shí)確保采用對稱的輻射單元，保證兩個(gè)天線具有相同的輻射特性。
以2.6G天線為例：
1、優(yōu)化后，該天線在2.6G處獲得了很好的匹配及隔離度；
2、該天線滿足ESA的條件 ka = 0.485 (< 0.5)， 即在手機(jī)上占據(jù)很小的空間位置，該天線可方便放置于角落，提供了較大的使用空間；
案例3：PCB電源噪聲-電磁仿真優(yōu)化
5G產(chǎn)品的邊緣速率更高、集成度更大。解決電磁兼容問題的成本隨著開發(fā)過程的呈指數(shù)級增長，越早發(fā)現(xiàn)電磁兼容問題，解決方法就越多，若后期才發(fā)現(xiàn)問題，解決的措施就大大減少，難度也會大很多。
噪聲形成原因：由于地引線和平面存在寄生電感，在開關(guān)電流的作用下，會造成一定的電壓波動，也就是說器件的參考地已經(jīng)不再保持零電平。
優(yōu)化方案：通過優(yōu)化電容容值，布局位置，焊盤等細(xì)節(jié)影響，改善阻抗，優(yōu)化電源供電質(zhì)量，提高產(chǎn)品性能。
案例4：BTB連接器-電磁仿真優(yōu)化
隨著5G傳輸速率的上升，對連接器的高頻性能也提出了更高的要求。連接器的高頻性能主要由S參數(shù)、crosstalk(串?dāng)_）、CD&DC（差模/共模轉(zhuǎn)換）和Impedance（特性阻抗）這四個(gè)參數(shù)來衡量。
案例5：折疊屏-結(jié)構(gòu)仿真
FEA模型
鉸鏈位置剖面動畫
粘貼力曲線圖
區(qū)域1粘膠在屏幕折疊過程中，粘膠的粘貼力在96度時(shí)超過98.9N，旋轉(zhuǎn)至180度所需最大粘膠力187.9N；
區(qū)域2粘膠在屏幕折疊過程中，粘貼力在128.8度時(shí)超過127.65N，旋轉(zhuǎn)至180度所需最大粘膠力170.4N；
區(qū)域3粘膠在屏幕折疊過程中，粘貼力未超過194.35N，旋轉(zhuǎn)至180度所需最大粘膠力180.6N；
區(qū)域3粘膠在屏幕折疊過程中，粘貼力未超過194.35N，旋轉(zhuǎn)至180度所需最大粘膠力156.7N；
案例6：智能終端控制面板-光學(xué)仿真
初次仿真發(fā)現(xiàn)指示燈光均勻度很差，需優(yōu)化設(shè)計(jì)提高指示燈光的均勻性。
建議采取下面2個(gè)措施改善均勻度：
優(yōu)化前均勻度只有20%，優(yōu)化后均勻度達(dá)到了50%以上。
案例7：手機(jī)單板熱沖擊-熱力耦合仿真
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工況 |
溫度循環(huán) |
邊界條件位置 |
來源 |
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單板熱沖擊 |
100~-40度 |
螺釘位置固定 |
設(shè)計(jì) |
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支撐情況 |
無 |
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支撐情況 |
無 |
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1、以700微應(yīng)變?yōu)槭Щ€判斷；
2、主板正面X方向最大主應(yīng)變LE11大于700微應(yīng)變失效基線，下圖紅圈所示區(qū)域器件有失效風(fēng)險(xiǎn)；
3、主板正面Y方向最大主應(yīng)變LE22小于700微應(yīng)變失效基線，器件失效風(fēng)險(xiǎn)低；
備注:以900微應(yīng)變判斷，器件無失效風(fēng)險(xiǎn)。
案例8：大功率連接器-磁熱力三場耦合分析
問題描述：預(yù)測連接器在大功率、高溫情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。
解決方案：電磁熱力耦合仿真。通過電磁仿真確定連接器的損耗分布參數(shù)，再通過熱仿真計(jì)算出連接器的溫度分布，最后通過結(jié)構(gòu)仿真模擬出應(yīng)力應(yīng)變分布，從而判斷連接器能否應(yīng)用在大功率、高溫場合。
通過電磁仿真，計(jì)算出連接器的S參數(shù)，得到損耗分布情況
當(dāng)連接器通過大功率交流信號后，通過仿真得知最高溫度為48.8°，結(jié)構(gòu)位移最大值為0.0034MM。因此，該連接器可以應(yīng)用在大功率交流信號上。
案例9：濾波器-磁熱力三場耦合分析
問題描述：預(yù)測濾波器在大功率情況下的電器性能變化情況。
解決方案：電磁熱力耦合仿真。通過電磁仿真確定濾波器的損耗分布參數(shù)，再通過熱仿真計(jì)算出濾波器的溫度分布，再通過結(jié)構(gòu)仿真模擬出濾波器受熱變形情況，最后返回到電磁仿真得到變形后的濾波器性能。
該濾波器受熱發(fā)生變形，最大位移量是0.169MM。變形后濾波器的高頻性能發(fā)生了變化，諧振頻率發(fā)生位移，從原來的雙諧振點(diǎn)變成了單諧振點(diǎn)。因此，該濾波器應(yīng)用在大功率情況下性能不佳。
在移動終端互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈下，移動智能終端性能可靠性的重要性越加凸顯。CAE仿真技術(shù)在智能終端設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對產(chǎn)品性能、可靠性、壽命、成本等方面的提高有著不容忽視的重要作用。當(dāng)然，智能終端設(shè)計(jì)的仿真分析應(yīng)用中還有許多很深入、復(fù)雜并極具挑戰(zhàn)性的難題（如多物理場耦合），需要多門學(xué)科的理論和方法的綜合應(yīng)用。面對這些挑戰(zhàn)，元王愿與業(yè)內(nèi)專家共同努力解決難題。
