Flotherm中的接触热阻的设置与验证

flotherm软件应⽤学习精华如何现实物体表⾯的温度云：Fig.1Fig. 2关于表⾯换热系数在附件中的模型中，设置换热系数时，⽆论数值怎么改，最后的温度分布没有改变，这是为什么？==========================================对流换热系数与很多参数有关，况且不同位置这个值也不⼀样从⽹格的⾓度出发，在固体内的⽹格中，每个⽹格应该有⼀个导热系数参数，⽽在固体与流体相连的⽹格⾥，有⼀个对流换热系数参数，还有⼀个热辐射参数并且这些数值随着迭代不断变化（如果导热系数不是定值，是⼀个随温度变化的值），最终不再变化，模型也就收敛这个换热系数是⽤于考虑箱体与外界环境的换热量，求解域与箱体⼤⼩⼀致时才计算，这是软件对外界换热的⼀个近似处理，其实并不准确，因为和外界的换热系数⼀般是未知的，不应作为⼀个已知的第三类边界条件。

ambient 中的对流换热系数，仅在如下两个条件同时满⾜时才发挥作⽤： 1.对某个⽅向上的计算域边界附加了你设置的ambient 属性 2.改计算域边界和计算域内某固体表⾯重合则此ambient 种设置的对流换热系数会在与计算域边界重合的固体表⾯上发挥作⽤。

此设置有⼀个典型应⽤：你的⼀个机箱，内部采⽤强迫对流换热，此时系统90%多的热量都是靠系统内部的强迫风冷带⾛的。

但同时，机箱外表⾯也是存在⾃然对流和辐射的，只不过⾮常⼩⽽已。

在进⾏仿真计算时，⼜不想把机箱外计算域放⼤实际计算其⾃然对流。

就可以设置ambient 中的对流换热系数，近似模拟机箱外表⾯的⾃然对流和辐射。

在此情况下，⼀般设置此值为10左右即可system ⾥的fliud 设置的是求解域内的流体属性，⽐如导热系数，密度，粘性，⽐热等等；ambients 设置的是求解域外的流体温度，压⼒等，默认为空⽓，⽽且不能更改；global 设置的是求解域内初始计算的温度和压⼒，它会在计算过程中被逐步的修正。

FloTHERM的Die-Level热仿真（1）半导体最近是一个热门话题，成为了显学。

半导体芯片55%以上的失效是因为过热造成的，此热是真热，不是热门话题的热-:)。

预测Die的结温是任何一个电子散热仿真软件的重要功能之一。

好的热设计可以确保结温不会超过封装厂家的限制条件。

结温Junction Temperature是器件寿命评估的引导指针。

随着设计冗余越来越小，器件要想达到寿命预期，就需要更加准确的结温预测。

而准确的结温预测基于高保真的器件热阻模型，同时也要结合器件在PCB板上或系统中工作时的结温准确预估FloTHERM.PACK有多种模型来支持在FloTHERM中做结温预测，最简单的是双热阻模型，也就是用一个热阻值来表征结到封装顶层的热流，用另外一个热阻值表征到封装底部的热流。

阶梯热阻模型也是类似的，只用两个链接来表征结到外部环境的热流，只不过内含更多的内部热阻与热容值而已。

更高级的是称之为DELPHI模型，是上个世纪九十年代由欧洲基金赞助的项目，如今在行业中广泛应用。

最高保真度的模型是详细模型，用合理的热况真实性和芯片封装的内部结构来再现热特性。

当然，模型档次越高，计算的复杂程度与成本越高，在开发过程中需要取舍。

比如在概念设计阶段，很少用详细模型，因为这个阶段缺少版图的信息。

类似地，在后来的包含了重要发热器件详细信息的板级设计时用简单的块模型是不能带来准确的仿真结果的。

所有这些不同角度的模型需要在一起迭代才能保真。

为了得到最准确的仿真结果，详细模型是必须用到的。

模型的准确性是建立在准确的数据基础上的，但很多数据是很难获取的，比如一些材料的热特性与封装里粘结层的厚度。

高版本的FloTHERM能帮助热工程师克服这些困难，实现On-Die Temperature Variation，以器件供应商所特别标注的最大允许结温为指针，来实现下面几个方面的应用·评估器件寿命·尝试多种设计途径·在设计流程中做出方案的取舍·以Smart Part的方式导入Die的功率图谱·与Simcenter/MAD T3STER进行热阻详细模型校核，实现数字双胞胎（Digital Twin）。

使用FloTHERM对TBGA封装芯片热特性进行热仿真Eric TanTaiwan Semiconductor Technology Co.HsinChu Science-Based Industrial Park, Taiwan, R.O.C.Eric ChoFlotrend Co. FloTHERM Agent in TaiwanTaipei, Taiwan, R.O.C.摘要众所周知自从QFP系列到目前的BGA系列封装，封装的芯片热性能变得越来越重要。

集成电路中的元件越多，工程师所要面对的散热问题越严重。

许多半导体企业都采用ANSYS 软件对具有对称性的1/4个封装芯片进行热仿真。

这种基于有限元的方法似乎无法仿真完整的封装模型或具有详细封装模型的板级热分析。

此外，ANSYS的仿真需要耗费很多时间，并且在强迫对流的案例仿真中无法给出对流换热系数。

本文使用FloTHERM软件仿真位于PCB板上的一个完整的TBGA模型，以判断其是否能满足高热功耗（6 W）工作的要求。

由FloTHERM.PACK生成的TBGA模型也被进行分析。

本文的研究重点主要集中在封装级和板级分析。

我们通过实验数据对自然对流和强迫对流情况下，三种封装芯片模型（一种自己建模，两种FloTHERM.PACK建模）在不同风速下(v=1m/s,2m/s,3m/s)的热性能进行了研究，并且比较了安装在PCB上PBGA和TBGA的热特性。

正如板级分析所显示的结果，在自然对流情况下TBGA要比PBGA的热阻（R ja）小20%。

同时我们也发现即便在PBGA封装模型的Die和基板之间放置100个导热球，PBGA的散热性能也没有TBGA好。

介绍众所周知电子行业必须研发高输入/输出的芯片去满足3D图形处理卡，高速处理器和网络连接装置的要求。

这些元件将引起更高的热损耗和时钟频率。

普通的PBGA 在200MHZ 工作条件下，只能散去3~5W的热量。

Cavity-Down封装技术被研究，以满足目前封装芯片高散热性能的要求。

如何现实物体表面的温度云：Fig.1Fig. 2关于表面换热系数在附件中的模型中，设置换热系数时，无论数值怎么改，最后的温度分布没有改变，这是为什么？==========================================对流换热系数与很多参数有关，况且不同位置这个值也不一样从网格的角度出发，在固体内的网格中，每个网格应该有一个导热系数参数，而在固体与流体相连的网格里，有一个对流换热系数参数，还有一个热辐射参数并且这些数值随着迭代不断变化（如果导热系数不是定值，是一个随温度变化的值），最终不再变化，模型也就收敛这个换热系数是用于考虑箱体与外界环境的换热量，求解域与箱体大小一致时才计算，这是软件对外界换热的一个近似处理，其实并不准确，因为和外界的换热系数一般是未知的，不应作为一个已知的第三类边界条件。

ambient中的对流换热系数，仅在如下两个条件同时满足时才发挥作用：1.对某个方向上的计算域边界附加了你设置的ambient属性2.改计算域边界和计算域内某固体表面重合则此ambient种设置的对流换热系数会在与计算域边界重合的固体表面上发挥作用。

此设置有一个典型应用：你的一个机箱，内部采用强迫对流换热，此时系统90%多的热量都是靠系统内部的强迫风冷带走的。

但同时，机箱外表面也是存在自然对流和辐射的，只不过非常小而已。

在进行仿真计算时，又不想把机箱外计算域放大实际计算其自然对流。

就可以设置ambient中的对流换热系数，近似模拟机箱外表面的自然对流和辐射。

在此情况下，一般设置此值为10左右即可system里的fliud设置的是求解域内的流体属性，比如导热系数，密度，粘性，比热等等；ambients设置的是求解域外的流体温度，压力等，默认为空气，而且不能更改；global设置的是求解域内初始计算的温度和压力，它会在计算过程中被逐步的修正。

joshchang初階用戶積分 1發表文章 1註冊 2006-9-19 狀態离線#1 新手求問...版主好,我是FLOTHERM的初學者,目前在使用上有幾個問題請教!1.要如何使用FLOTHERM模擬風洞實驗,以求得系統之阻抗?2.目前在散熱模組的使用上,多有使用"熱管",如何在FLOTHERM內建構具有熱管的散熱模組,參數如何設定?感激不盡^^,tks!2006-9-20 12:23 PMwhlex初階用戶積分 1發表文章 1註冊 2006-9-14 狀態离線#21. 聽說是建個風洞直接吹看看2006-9-25 10:35 AMJasonNiu該用戶已被刪除積分 N/A發表文章 N/A 註冊 N/A狀態离線#3 要如何使用FLOTHERM模擬風洞實驗,以求得系統之阻抗? 你可以利用計算系統阻抗的公式來設計：其中Ｖ為速度△P為壓降f為阻抗如此你只要建立一個風洞的空間，然後在風洞的入口設定一個pressure source，出口處設定一個2D region，如此你就可以利用求解後的region的table觀察到速度，入口的壓力則為壓降直（因為出口壓力為零），這樣就可以代入公式求解系統阻抗2006-9-27 03:18 PMJasonNiu該用戶已被刪除積分 N/A發表文章 N/A 註冊 N/A狀態离線#4 如何在FLOTHERM內建構具有熱管的散熱模組,參數如何設定?在FLOTHERM中設定熱管，只能利用compact model的方式設定熱管，其設定方法則是利用一個傳導係數很高的cuboid來代替，因為熱管的目的在於很快的將熱帶從熱端帶到冷端。

Flotherm中的接触热阻的设置与验证相信大家在使用Flotherm时都会碰到如何设置固体与固体之间的接触热阻的问题，软件对此也给出了非常方便的设置。

下面给出了设置的过程与验证结果。

首先以软件自带的Tutorial 1作为研究对象，然后分别对模型中的Large Plate 和Heated Block取Monitor（位于对象的中心）。

测量Heated Block的尺寸，Length=40mm，后面将会用到该参数。

对模型不做任何更改，直接进行计算。

下图是模型的表面温度云图，从Table 里可以知道Monitor的最终温度值。

THeated-Block=78.8552, TLarge-Plate=77.9205接下来，开始设置接触热阻。

对Heated Block进行Surface操作，在Surface Finish对话框中新建一个Surface属性22，然后在Surface Attribute里的Rsur-solid 中进行设置。

这里，希望在Heated Block和Large Plate之间的添加一个1°C/W的接触热阻，而Rsur-solid的单位是Km^2/W，其实就是(K/W)×(m^2)，即所需热阻值与接触面的面积。

前面知道，Heated Block是一个边长为40mm的正方形，面积即为0.0016m^2，所以，这里需要输入的值就是：1°C/W×0.0016m^2=0.0016Km^2/W。

Heated Block与Large Plate的接触面出现在Heated Block的Xo-Low面上，就需要在Surface Finish对话框中的Attachment的下拉菜单中选择Xo-Low。

设置完成后，不再对模型做任何操作，直接进行计算。

下图是模型的表面温度云图，从Table里可以知道Monitor的最终温度值。

THeated-Block=85.7831, TLarge-Plate=77.4179将仿真结果制作成下表（Heated Block的功耗为8W）：首先，这里需要澄清一些事实：热到底是如何被带走的，接触热阻到底会对什么产生影响。

基于Flotherm的密闭机箱散热分析作者：曹耀辉陈远益来源：《现代信息科技》2020年第22期摘要：根据机箱热载荷等边界条件，对密闭机箱中功能模块的热功耗热流密度进行分析和计算。

根据理论计算机箱与空气自然对流的热流密度值来评估散热性能，并将计算结果与空气自然对流散热的热流密度阈值进行比较：在此基础上使用建模软件Creo 4.0完成机箱的CAD数字样机建模，使用Flotherm有限元仿真软件进行热仿真分析，完成机箱参数设定、网格划分，对机箱进行精确的热仿真计算，验证机箱热设计的可靠性，为其他同类电子产品设计提供参考。

关键词：热功耗;热流密度;机箱;热仿真;Flotherm软件中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0041-04Heat Dissipation Analysis of Closed Chassis Based on FlothermCAO Yaohui，CHEN Yuanyi（Changsha Chaochuang Electronic Co.，Ltd.，Changsha 410221，China）Abstract：According to the thermal load and other boundary conditions of the chassis，the thermal power consumption and heat flux of the functional modules in the closed chassis are analyzed and calculated. According to the theory to calculate heat flux value between the chassis and natural convection of air to evaluate thermal performance，and the calculated results are compared with the heat flux threshold value of natural convection heat dissipation of air：on this basis，the modeling software Creo 4.0 is used to complete the CAD digital prototype modeling of the chassis，use Flotherm finite element simulation software for thermal simulation analysis，complete the chassis parameter setting，grid division，carry out accurate thermal simulation calculation of the chassis，verify the reliability of the chassis thermal design，and provide reference for the design of other similar electronic products.Keywords：thermal power consumption;heat flux;chassis;thermal simulation;Flotherm software 0 引言随着现代电子技术的迅速发展，电子设备已经广泛应用于人类生活各个领域，其中图像信息处理技术已成为目前研究的热点之一，各种以机箱为载体的图像处理模块也因此层出不穷。