flotherm CPU散热分析实例教程(二类参照)

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Lecture 2A
Build, Solve and Analyse a Simple Case
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Five steps to build a model
Step 1 – Define what to model Step 2 – Create geometry Step 3 – Add grid Step 4 – Solve the model Step 5 – Analyse the results
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Flomerics软件优化散热设计作者：flomerics使用Flotherm仿真优化证实气体可以冷却2kW IGBT模块随着集成电路不断被认为能提供更多核心和更快时钟速度,它们也被要求具备更强散热能力.添加微处理器,以成倍的指定时钟速度运行,从而获得性能优势,生产出为大部分市场所研发的产品.而且,由于系统有不同散热需求,散热管理挑战日益增多.因此,产生的疑问是:这些系统中性能最强大的系统能否利用气体散热.作为主要选择,液体冷却能处理温度较高的热载荷,但价格相当昂贵,比起气冷面临更高维护挑战。

图1:这是一种IGBT模块,安装在平行板式铝制散热器上位于加州San Diego的Amulaire 热技术公司,提供定制设计和散热产品服务,最近其工程师对备用100千瓦IGBT模块的冷却方式进行评估,散热量达两千瓦。

图2:此图显示的是从芯片结到散热器表面的热阻堆栈冷却两千瓦集成电路Amulaire开始量化该挑战,并侧重于散热量达2千瓦的100千瓦IGBT功率模块,因为这样的模块是转换器和逆变器电路常用的配置.IGBT主要用作电源和电机驱动应用中循环电路和逆变器电路中静态和动态间的转换.IGBT三维多层封装的出现能有助于实现更高的可靠性,降低电噪声和成本.不过,这种方法将电子模块更紧密地结合在一起,增加了热通量和热密度.在以上提到的任一应用中,一旦功耗部件生成,其使得半导体温度升高,开关总功耗增加.这些装置的最高结温通常是150℃,然而较低的温度能提高产品可靠性.传统上的选择一直是气冷式散热器,但由于一些军事和商业应用要求达到数兆千瓦,散热器已由铝制改为铜制,并由于气冷式散热器感应能力的限制,液冷散热器又取代了气冷式散热器.图3:优化过程中散热器热阻值降低在Amulaire,我们利用Flomerics 公司的Flotherm计算流体动力(CFD)软件,对不同假设情况下的IGBT进行散热器优化设计.我们选择该软件包的主要原因是它可以自动优化散热器设计或其他任何方面的热管理.以成本函数的形式,在关键参数变化范围内,用户只需定义设计目标.软件自动生成和运行所需模拟量,以探究最佳成本效益下的整个设计空间.分别运行所有的不同组合,然后Flotherm生成响应界面,显示设计目标值.图4:优化响应界面,结合设计目标使工程师能够将完整的互动设计可视化优化散热器设计流体分析和散热器优化,以界定IGBT散热器风扇组件的限度范围.电力电子电路采用直接键合式铜技术,该技术利用带有铜制散热器的电子模块.将模块式散热组件和使用热油脂接口的散热器通过螺栓连接在一起.锻铝(型号为6061-T6)制散热器被用来优化启动点.代表comair rotron模型mt12b3轴流风机的风扇曲线提供了通过导管式散热器的强迫对流情况.该风扇具有的最大气流量达0.1415立方米每秒(cmps)(300cfm),最大静压力达206帕斯卡(水下0.811英寸.).循序优化求解被用来优化翅片数量,翅片厚度和基本轴向厚度.因为仿真中应用到的风扇曲线,流量,流速和压力降受到这些设计参数的影响.从10个翅片开始,一个翅片的厚度为0.4毫米,基本轴向厚度为4毫米,优化过程中允许在正负30%范围内调整变量.如果优化变量处于范围内最低或最高点,从以往优化值开始,另外运行十次求解.如果优化值没有达到最小或最大值,则在正负10%范围内另外运行十次求解.如果始于同一点进行第二次运行后,优化值不变,则在正负5%范围内开始运行20次求解.如果优化值还是不变,则认为求解完成.图5:该图表显示的是各类散热器扩展电阻间的比较证明气冷式散热能力足够铝制散热器的优化体现铝的极限性.最终得到的是厚度为54毫米,60厘米x60厘米,拥有127个厚度为1.21毫米翅片的铝制散热器.采用先前描述的风扇曲线,其得到的气流量为0.08672立方米每秒(184立方米每分钟),压力降为84.1帕斯卡(水下0.331英寸.),面积为15.6平方米.总的传热系数约为1.501 Wpm2 K,其导致温度升高85.4℃,热阻值为0.0427度CpW.从结到散热器,使用热电阻,其规定周围环境温度为50度,而结温约为184度,这显然不能被接受.该仿真结果表明,由于扩展电阻性的影响,不论芯片大小,铝制散热器都无法对其实现散热:所制造的铝制散热器越大,由于扩展电阻性,效率也越低。

基于Flotherm的散热器的优化设计摘要：本文对电子设备中常用散热器的分类、矩形肋散热器的设计准则及设计方法进行了介绍，并给出了矩形肋散热器的设计经验公式和参考数据。

论文还介绍了多款可对散热器进行辅助设计的计算机软件，并详细介绍了利用Flotherm软件中的Command Center（优化设计模块）来对散热器进行优化设计。

关键词:电子散热散热器 Flotherm 优化设计1 引言随着电子组件发热密度的不断增加，散热需求也日益增加，散热设计的困难度也越来越高，所花费的成本也越来越多。

在电子设备中，气冷散热器是最经济、最可靠的散热方式，利用散热器来增加散热面积也是热管理技术中最常见最基本的方式，因此如何提升散热器效率成了很重要的研究课题。

近年来，为了满足电子散热的需求，散热器在形状、材料及制作工艺上都有了长足的发展，此外，还通过整合其它散热组件（如热管）的设计方式来增加其在应用时的效率。

这样，对于同一个散热问题，散热器的设计会在其形状、材料等方面出现多种解决方案，如何快速在众多方案中做出合理选择，并能够降低设计和制造成本就显得尤为重要。

本文介绍了利用热分析软件Flotherm中的Command Center模块来对散热器进行优化设计。

2 散热器相关理论2.1 散热器的分类散热器的种类通常以其制作工艺的不同来分。

由于散热器的制作工艺多种多样，散热器可分为如下几类：压印(Stampings)、挤型(Extrusion)、铸造(Casting)、接着(Bonding)、折迭(Folding)、改良式的铸造(Modified die-casting)、锻造(Forging)、切削(Skiving)、机械加工(Machining)等。

图1显示了其中几种不同工艺情况下的散热器。

可以看出，各种散热器都由两部分组成：肋片和基板。

肋片有鳍片状，称为直肋散热器；圆柱或矩形柱状，称为针肋散热器。

制造散热器的材料通常为铝和铜，有时也会根据其材料类型来命名散热器。

使用FloTHERM找出电子设计中的散热障碍和散热捷径作者：Mentor Graphics找出电子设计中的散热障碍和散热捷径: 明导公司的FloTHERM是电子行业垂直市场领先的CFD散热分析解决方案。

FloTHERM V9版本添加了创新的后处理技术，开启了热分析的一个新境界，帮助工程师理解为什么一个设计会过热。

两个新研发的定量方法和显示技术协助FloTHERM V9 用户将他们的设计中关键的，在过去是抽象的热特征形象化：*散热障碍(Bn)：明确高温气流的流动路径，同时又显示气流对热量的排斥。

*散热捷径(Sc)：显示其他可选用的、更有效的热流路径；换言之，更快到达冷却区域的捷径。

最后，Bn和Sc值帮助工程师理解哪些热量已经扩散到系统外，从而使他们能重新设计热通量分布规划，提高性能。

到目前为止，还没有方法，能明确一个设计的散热障碍和散热捷径机会。

而按照Bn和Sc数据所做的设计修正，形成的新设计，不仅能明确散热障碍，而且也能越过这些障碍。

解释数学原理:通过指定横截面区域的热流即热通量（Heat Flux）。

热通量矢量总是和温度梯度矢量一起。

这两个术语在FloTHERM这类CFD热分析工具中的作用，就好像股票市场上的股票。

本质上，它们的相互作用代表着热阻指数。

在一个给定的热通量值中，梯度温度越高，热阻越大。

同时，这两个矢量值与FloTHERM分析相关，也是支持自然对流情况下散热分布的参数。

图1 中，热通量矢量(Heat Flux Vector) 箭头的长度代表热通量，同样，温度梯度矢量(Temperature Gradient Vector) 箭头的长度代表温度梯度。

本图中这两个矢量关系与真实情况相差很远，只是为了方面解释CFD分析背后的数学原理。

散热障碍值是两个矢量相交点。

如图1 所示，在空间内的每一点，当热通量矢量和温度梯度矢量同时到达该点时，在该点, Bn标量值就可以计算出来。

假设两个矢量处于理想位置（在现实中很不可能有这样的情况），Cos (θ) (角度余弦) = 1, Bn值就正好是矢量值。