研讨会精华分享二：智能终端设计研发的仿真解决方案
11月16日，由深圳市有限元科技有限公司&达索系统Simulia联合主办的“第二届电子产品性能设计提升研讨会”，在深圳深航酒店成功召开。此次“电子产品性能设计提升”主题研讨会，旨在通过会议搭建一个开放的技术交流平台，分享电子产品设计方面的成果与经验，共同探讨电子领域面临的技术难题。以下，将为大家分享会议精华二：智能终端设计研发的仿真解决方案（深圳市有限元科技有限公司技术总工李冬生老师报告）。
随着移动互联网的快速发展，人们的工作生活各个角落都有各种智能终端的身影，它们为我们的工作效率、生活便利性带来了极大的提升。且不说我们离不开的智能手机、平板、智能电视，就连现在冰箱上也多了一块屏，油烟机上也可以看着屏幕学做饭，还有各种各样的如饭馆的点餐机、智能收银机、学习机、智能心电仪、智能车载电子终端等所有可以连入互联网直接面向用户的智能设备。那么，CAE仿真在智能终端的研发中起到了什么作用呢？
智能终端产品的表象竞争力主要体现在以下方面
1、显示；2、性能；3、信号；4、音效；5、续航；6、拍照；7、AI；8、。。。
智能终端的产品质量要求主要体现在以下这些方面
1、稳定的信号；2、可控的温度；3、静态承载；4、耐动态冲击；5、疲劳耐久；6、防水；7、防尘；8、。。。
智能终端产品研发面临的难点与挑战
一般情况下，智能终端产品设计从专业学科角度出发，需要考虑以下方面：
智能终端散热设计
“仅从芯片耗电量看，5G是4G的2.5倍”这意味着5G手机及其他智能终端产品导热、散热将是一个巨大的挑战！而热设计总体的趋势无外乎两个方面，一是“开源节流”，二是“中间均匀”。
“节流”目的是减少芯片发热功耗
“开源”目的是增加产品的散热面积
“中间均匀”利用产品从芯片到系统的传递路径，将热分散化均匀化，均匀化的核心是在有限的时间内快速均匀化，通常采用以下技术实现：
1、通常采用的技术
–选用导热性能好的材料
–良好的导热介质材料
–石墨导热技术应用
–采用铝后壳和金属支架帮助散热
2、可能采用的技术
–水冷/液冷
–超薄热管的使用
–TEC设备
–峰值热容的管理(热冲击)
–新材料和被动散热设备的选用
智能终端电磁设计
智能终端中考虑最多最简单的就是天线的电磁设计，天线的电磁设计需要考虑一下因素：
1、天线的尺寸
– 手机厚度越来越薄
– 天线的“净空区”越来越小
– 工艺实现：弹片形式->FPC->LDS
2、多天线互耦，隔离度设计
‒主天线
‒ GPS、BT、wifi、NFC等
3、OTA性能
‒辐射效率TRP
‒辐射灵敏度TIS
‒不同工作环境的性能（头、手影响等）
4、EMC兼容性
5、是否符合SAR标准
智能终端结构设计
结构设计每个行业都会涉及，处理方法也更有不同，元王技术总工李冬生先生将智能终端结构设计总结为两种：一是“以刚克刚”，通过提高自身强度（更好的材料、结构强度）来抵抗住外力；二是“以柔克刚”，通过缓冲实现应力均匀化，来减少应力集中；
以上散热、电磁、结构设计的种种方式，可能大家都会想到，而想到了如何设计好才是关键。那么就要考虑以下三个问题：
1、如何可靠设计
2、如何量化评估
3、如何优化迭代
而在考虑三个问题的同时，很可能牵涉出以下种种的问题：固体力学、多体动力学、流体力学、热学、光学、电磁学、声学、多学科无耦合、多学科单向耦合、多学科双向耦合......
其中，多场耦合是比较复杂难处理的：
如此之多的问题，依靠理论计算或者经验来解决实在是太困难了，解决方案就是采用CAE仿真。通过事前定方案，事中保设计，事后找问题，能够有效帮助大家解决大部分的问题。
智能终端仿真应用案例
案例1：手机散热优化
初次仿真发现指纹膜温度过高，建议采取下面两个措施改善此处温度：
1、将石墨片贴在钢片上侧并且覆盖钢片（如红色线框区域）；
2、导热硅胶缠绕在指纹模组周围并与后盖贴紧（如图绿色线框区域），导热硅胶厚度与指纹厚度平齐；
通过优化措施，后盖指纹膜处温度改善了3 ℃左右。
案例2：终端天线-电磁仿真
原始天线厚度在10mm，随着智能手机PCBA降低至5mm，天线需要满足终端尺寸更小的要求，同时确保采用对称的辐射单元，保证两个天线具有相同的辐射特性。
以2.6G天线为例：
1、优化后，该天线在2.6G处获得了很好的匹配及隔离度；
2、该天线满足ESA的条件 ka = 0.485 (< 0.5)， 即在手机上占据很小的空间位置，该天线可方便放置于角落，提供了较大的使用空间；
案例3：PCB电源噪声-电磁仿真优化
5G产品的边缘速率更高、集成度更大。解决电磁兼容问题的成本随着开发过程的呈指数级增长，越早发现电磁兼容问题，解决方法就越多，若后期才发现问题，解决的措施就大大减少，难度也会大很多。
噪声形成原因：由于地引线和平面存在寄生电感，在开关电流的作用下，会造成一定的电压波动，也就是说器件的参考地已经不再保持零电平。
优化方案：通过优化电容容值，布局位置，焊盘等细节影响，改善阻抗，优化电源供电质量，提高产品性能。
案例4：BTB连接器-电磁仿真优化
随着5G传输速率的上升，对连接器的高频性能也提出了更高的要求。连接器的高频性能主要由S参数、crosstalk(串扰）、CD&DC（差模/共模转换）和Impedance（特性阻抗）这四个参数来衡量。
案例5：折叠屏-结构仿真
FEA模型
铰链位置剖面动画
粘贴力曲线图
区域1粘胶在屏幕折叠过程中，粘胶的粘贴力在96度时超过98.9N，旋转至180度所需最大粘胶力187.9N；
区域2粘胶在屏幕折叠过程中，粘贴力在128.8度时超过127.65N，旋转至180度所需最大粘胶力170.4N；
区域3粘胶在屏幕折叠过程中，粘贴力未超过194.35N，旋转至180度所需最大粘胶力180.6N；
区域3粘胶在屏幕折叠过程中，粘贴力未超过194.35N，旋转至180度所需最大粘胶力156.7N；
案例6：智能终端控制面板-光学仿真
初次仿真发现指示灯光均匀度很差，需优化设计提高指示灯光的均匀性。
建议采取下面2个措施改善均匀度：
优化前均匀度只有20%，优化后均匀度达到了50%以上。
案例7：手机单板热冲击-热力耦合仿真
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工况 |
温度循环 |
边界条件位置 |
来源 |
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单板热冲击 |
100~-40度 |
螺钉位置固定 |
设计 |
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支撑情况 |
无 |
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支撑情况 |
无 |
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1、以700微应变为失效基线判断；
2、主板正面X方向最大主应变LE11大于700微应变失效基线，下图红圈所示区域器件有失效风险；
3、主板正面Y方向最大主应变LE22小于700微应变失效基线，器件失效风险低；
备注:以900微应变判断，器件无失效风险。
案例8：大功率连接器-磁热力三场耦合分析
问题描述：预测连接器在大功率、高温情况下的应力应变情况。
解决方案：电磁热力耦合仿真。通过电磁仿真确定连接器的损耗分布参数，再通过热仿真计算出连接器的温度分布，最后通过结构仿真模拟出应力应变分布，从而判断连接器能否应用在大功率、高温场合。
通过电磁仿真，计算出连接器的S参数，得到损耗分布情况
当连接器通过大功率交流信号后，通过仿真得知最高温度为48.8°，结构位移最大值为0.0034MM。因此，该连接器可以应用在大功率交流信号上。
案例9：滤波器-磁热力三场耦合分析
问题描述：预测滤波器在大功率情况下的电器性能变化情况。
解决方案：电磁热力耦合仿真。通过电磁仿真确定滤波器的损耗分布参数，再通过热仿真计算出滤波器的温度分布，再通过结构仿真模拟出滤波器受热变形情况，最后返回到电磁仿真得到变形后的滤波器性能。
该滤波器受热发生变形，最大位移量是0.169MM。变形后滤波器的高频性能发生了变化，谐振频率发生位移，从原来的双谐振点变成了单谐振点。因此，该滤波器应用在大功率情况下性能不佳。
在移动终端互联网产业链下，移动智能终端性能可靠性的重要性越加凸显。CAE仿真技术在智能终端设计中的应用，对产品性能、可靠性、寿命、成本等方面的提高有着不容忽视的重要作用。当然，智能终端设计的仿真分析应用中还有许多很深入、复杂并极具挑战性的难题（如多物理场耦合），需要多门学科的理论和方法的综合应用。面对这些挑战，元王愿与业内专家共同努力解决难题。
