第十讲 电子散热基础
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.
FloEFD 培训
IDF 修复
• 删除不需要的小元件
– 将它们的热功耗施加至整个板子上
• 删除管脚和不需要的细节(孔洞) • 通过元件模型取代芯片
– 2R – 详细模型
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.
FloEFD 培训
PCB 生成器
(EL 模块)
• 通过手动输入K值，可以将平板定 义为PCB板子。 • 通过 PCB 生成器可以有更多应用
These pictures will be replaced
200
.
FloEFD 培训
焦耳加热
(EL 模块)
建模建议
•
• •
建议很好的处理那些没有与全局坐标系 对齐的薄元件，例如：薄曲导线。在厚 度方向有5个网格可以获得比较良好的薄 曲导线仿真结果。如果元件与全局坐标 系对齐（不弯曲、未与网格成角度）， 则不需要细化该元件的网格。 对于高导材料而言，建议提高网格求解 精度。 接触的区域也应通过计算网格进行很好 的处理。
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.
FloEFD 培训
电方面效应 “焦耳加热”
(EL 电子模块)
• • • • 导电体中稳态直流电。 焦耳加热的影响 R*I²会自动进行计 算，并且可以包括在热交换计算中。 材料的电阻可以使各向同性、各向异 性和随温度变化。 只能在导电固体中计算电压和电流， 也就是金属和含有金属的材料。
– 绝缘材料，半导体，流体和空的区域 不参与至焦耳加热的计算中。
201
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FloEFD 培训
热管简化模型
(EL 模块)
• 热管的简化描述需要定义 热管的总有效热阻（ overall effective thermal resistance） ，这主要基于 被设计系统的性能、元件 对齐方向、定义的热流方 向两个面。 • 热管的性能受很多因素影 响，例如：倾斜方向、长 度等。通过定义不同的有 效热阻（effective thermal resistance）用户可以仿真 模拟不同的情况。 • 避免了模拟热管内部复杂 的相变过程。
194
.
FloEFD 培训
2R- 简化模型
(EL 模块)
• 这是最为简单的网络简化模 型，由结点至外壳 (Rjc) 和结 点至板子 (Rjb) 热阻构成。 • 在 EFD中，以上两个参数被 应用至由两个描述结和壳的 两个实体块之上。 • 内置了标准的 JEDEC 封装双 热阻模型。
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FloEFD 培训
208
• 物体没有 keypointed • 即便几何模型没有发生改变，但在从新定义材料等操作之后，需要从新 进行网格划分。 • 复制几何模型的同时，不会复制物体特性 • 重叠实体之间以材料为序，而不是通过实体间的优先级 • 在求解的同时，无法进行前处理 • 对于非常复杂的几何模型，首次进行项目向导所需时间可能比较长 • 不具有并行功能 • 通过 save as 和 replace 重命名零件 • EFD 具有更好的 2D 热源 • 功率的改变对温度的影响很慢 • 2-resistor 模型需要 2 个正确面积的块 185
203
.
FloEFD 培训
EDB: 风扇制造商库
(EL 模块)
204
.
FloEFD 培训
EDB: 元件材料库
(EL 模块)
• 支持 JEDEC 标准的综合性数据库，JEDEC 制定了单片机封装元 件热模型的标准。 • 支持以下封装类型：CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP
184
• 各种 (曲面) 几何模型 • 3-5 倍的计算时间和内存需求 • 自动划分网格 • 直接 CAD 模型输入 • • 具有结构接口并且类似 CAD • • 适用很多流体动力学方面的物理 问题 • 具有焦耳加热的 3D 电仿真
.
FloEFD 培训
对于 FLOTHERM 用户而言仅有的 EFD 和 FLOTHERM 之间的操作差异
– 可以获得双轴热导率值，自动由PCB 结构和定义的导体和绝缘材料确定 PCB板垂直和平面方向的热导率。 – PCB板也可以根据全局坐标系进行任 意方向的布置。
– 也就是，可以对倾斜的 PCB 板 进行建模。
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FloEFD 培训
热过孔
• 热过孔通过一个实体建立，这一实体在垂直PCB板方 向上具有等效导热系数。
207
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FloEFD 培训
EDB: 导热界面材料库
(EL 模块)
• 支持 Bergquist, Chomerics, Dow Corning 和 Thermagon 等厂商 的导热界面材料 • 接触热阻经常是用户所需要考虑的，并且合适的数据很难确定, 所以这些基于制造商的数据一般认为是可靠和可信的。
193
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FloEFD 培训
• 其它 (逻辑) 封装 – Level 0: 具有均匀热导率的块 – k=5 to 20 W/m K – 表征外壳温度 • Level 1: 2-Resistor 简化模型 – 如果你认可 datasheets 中的数据 – 注意：只有在热量主要是向 PCB 板或芯片封装上 部传递时，2R 模型的概念才是正确的。在差不多 一半的情况下是不够精确的。
.
FloEFD 培训
EFD
vs.
FLOTHERM
• 矩形模型 • 非常快的计算能力 • 手动和即时的网格划分 • 半自动或手动转换输入 CAD 模 型 • 定义物体和参数化元件 • 不需要 CAD 软件经验 • Command Center 优化功能具有 很强的应用性 • 只适用于电子散热领域 • 手动输入直走线上的电流
205
.
FloEFD 培训
EDB: TEC 制造商库
(EL 模块)
• 支持 Marlow 和 Melcor 的产 品。
206
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FloEFD 培训
EDB:电子固体材料库
(EL 模块)
• 升级分类，包含了电子领域常 用的材料。 • 包含了所有合金、陶瓷、玻璃 、矿石、压层板、金属、聚合 体和半导体等材料特性。 • 对于常用的 IC 封装，包括了 一个 one-resistor 库。
dvia
dCu dpitch
2 dvia (d via 2dCu ) 2 4 4 n Cu 2 d pitch
• 需要了解详细的图层情况
1Байду номын сангаас2
.
FloEFD 培训
封装建模
• 通常 CAD 元件库中不具有元件热模型
• 晶体管建模
– Level 0: – 仅仅使用一个铜块作为热源 – 删除辅助的装置（管脚，封装) – Level 1: – 在塑料块内部增加一个硅芯片和铜 – 元件相嵌 (参见第三天内容) – Level 2: – 利用管脚、芯片、粘合剂等建立热模型
• Level 4: 所有回路(走路)。不建议
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FloEFD 培训
IDF 输入
• IDF 是一种标准的 ASCII 格式，用于板子轮廓和元件 – *brd,*bdf / *emn,*emp / *.bdf,*.ldf / 其它 – There are dialects spoken – Specification available on demand • FLOTHERM 读取 – 仅仅边框很快 – 尺寸和名称可能过滤 • EFD.lab 读取 – 所有细节很慢。 – 没有过滤 • IDF 元件仅仅是 “图片”
EFD: EL-模块功能列表
升级
焦耳加热 双热阻简化模型 打孔板 热管简化模型 PCB 生成器 EDB: 元件双热阻模型库 EDB: 打孔板库 EDB:风扇厂商库 EDB:元件材料库
EDB: TEC 厂商库
EDB:电子固体材料库 EDB: 导热界面材料
EDB = Engineering Database
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FloEFD 培训
散热模型要求
• 原则上，任何 CAD 文件都可用于电子散热的计算，然而 – 机械工程图包含了太多的细节 – 通常不是一个散热模型! – 进行简化并且需要改进/替代
– – – – 去除螺钉，管脚，引脚，封口等 封闭的孔洞 替代风扇的叶片模型和拉伸的打孔板 创建物理元件和板级模型
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202
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FloEFD 培训
Engineering Database – 升级
(EL 模块)
功能 • 大量固体、风扇、热电制冷元件 、双热阻元件被添加至工程数据 库中（Engineering Database） 。 • 增加了导热界面材料库。 • 增加了一个实体描述的常用 IC 封装库，它将IC封装简化为具有 等效密度、比热和热导率的一维 实体，从而用于仿真模拟。 获益 • 用于可以直接进行预定义和 验证电子元件的相关特性， 这些元件是用户设计中所采 用的。 • 方便用户选择合适和正确的 元件数据。 • 通过用户自己定义或者用户 希望添加库中没有的元件供 应商数据，工程数据库可以 进一步的扩展。
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FloEFD 培训
PCB板建模
• 不是仅仅使用环氧材料 (k=0.2 W/m K) • Level 0: k=10 W/m K • Level 1: 正交各向异性热导率
D kn N di i 1 k i
垂直平面方向热导率 (W/mK)
kp
k
i 1
N
i
di
D
• Level 2: 具有更多细节的独立层
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FloEFD 培训
EFD: 电子特性使用
• 升级 Flow Analysis 菜单
• 新的工具栏
• 升级 Engineering Database
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FloEFD 培训
打孔板
(EL 模块)
• 这一简化模型可以用于描述具有大量 小孔的薄板。不需要进行网格划分， 只需直接描述孔的特征。 • 可以在其上定义边界条件，例如环境 压力条件或已定义的风扇。 • 通过设置 Free Area Ratio 、孔的形 状（圆形、矩形、多边形）和尺寸可 以定义打孔板。 • 自动计算压降损失系数 （Pressure drop coefficient）。
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FloEFD 培训
IDF 修复
• 删除不需要的小元件
– 将它们的热功耗施加至整个板子上
• 删除管脚和不需要的细节(孔洞) • 通过元件模型取代芯片
– 2R – 详细模型
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PCB 生成器
(EL 模块)
• 通过手动输入K值，可以将平板定 义为PCB板子。 • 通过 PCB 生成器可以有更多应用
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焦耳加热
(EL 模块)
建模建议
•
• •
建议很好的处理那些没有与全局坐标系 对齐的薄元件，例如：薄曲导线。在厚 度方向有5个网格可以获得比较良好的薄 曲导线仿真结果。如果元件与全局坐标 系对齐（不弯曲、未与网格成角度）， 则不需要细化该元件的网格。 对于高导材料而言，建议提高网格求解 精度。 接触的区域也应通过计算网格进行很好 的处理。
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电方面效应 “焦耳加热”
(EL 电子模块)
• • • • 导电体中稳态直流电。 焦耳加热的影响 R*I²会自动进行计 算，并且可以包括在热交换计算中。 材料的电阻可以使各向同性、各向异 性和随温度变化。 只能在导电固体中计算电压和电流， 也就是金属和含有金属的材料。
– 绝缘材料，半导体，流体和空的区域 不参与至焦耳加热的计算中。
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热管简化模型
(EL 模块)
• 热管的简化描述需要定义 热管的总有效热阻（ overall effective thermal resistance） ，这主要基于 被设计系统的性能、元件 对齐方向、定义的热流方 向两个面。 • 热管的性能受很多因素影 响，例如：倾斜方向、长 度等。通过定义不同的有 效热阻（effective thermal resistance）用户可以仿真 模拟不同的情况。 • 避免了模拟热管内部复杂 的相变过程。
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2R- 简化模型
(EL 模块)
• 这是最为简单的网络简化模 型，由结点至外壳 (Rjc) 和结 点至板子 (Rjb) 热阻构成。 • 在 EFD中，以上两个参数被 应用至由两个描述结和壳的 两个实体块之上。 • 内置了标准的 JEDEC 封装双 热阻模型。
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• 物体没有 keypointed • 即便几何模型没有发生改变，但在从新定义材料等操作之后，需要从新 进行网格划分。 • 复制几何模型的同时，不会复制物体特性 • 重叠实体之间以材料为序，而不是通过实体间的优先级 • 在求解的同时，无法进行前处理 • 对于非常复杂的几何模型，首次进行项目向导所需时间可能比较长 • 不具有并行功能 • 通过 save as 和 replace 重命名零件 • EFD 具有更好的 2D 热源 • 功率的改变对温度的影响很慢 • 2-resistor 模型需要 2 个正确面积的块 185
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EDB: 风扇制造商库
(EL 模块)
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FloEFD 培训
EDB: 元件材料库
(EL 模块)
• 支持 JEDEC 标准的综合性数据库，JEDEC 制定了单片机封装元 件热模型的标准。 • 支持以下封装类型：CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP
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• 各种 (曲面) 几何模型 • 3-5 倍的计算时间和内存需求 • 自动划分网格 • 直接 CAD 模型输入 • • 具有结构接口并且类似 CAD • • 适用很多流体动力学方面的物理 问题 • 具有焦耳加热的 3D 电仿真
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FloEFD 培训
对于 FLOTHERM 用户而言仅有的 EFD 和 FLOTHERM 之间的操作差异
– 可以获得双轴热导率值，自动由PCB 结构和定义的导体和绝缘材料确定 PCB板垂直和平面方向的热导率。 – PCB板也可以根据全局坐标系进行任 意方向的布置。
– 也就是，可以对倾斜的 PCB 板 进行建模。
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热过孔
• 热过孔通过一个实体建立，这一实体在垂直PCB板方 向上具有等效导热系数。
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EDB: 导热界面材料库
(EL 模块)
• 支持 Bergquist, Chomerics, Dow Corning 和 Thermagon 等厂商 的导热界面材料 • 接触热阻经常是用户所需要考虑的，并且合适的数据很难确定, 所以这些基于制造商的数据一般认为是可靠和可信的。
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FloEFD 培训
• 其它 (逻辑) 封装 – Level 0: 具有均匀热导率的块 – k=5 to 20 W/m K – 表征外壳温度 • Level 1: 2-Resistor 简化模型 – 如果你认可 datasheets 中的数据 – 注意：只有在热量主要是向 PCB 板或芯片封装上 部传递时，2R 模型的概念才是正确的。在差不多 一半的情况下是不够精确的。
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EFD
vs.
FLOTHERM
• 矩形模型 • 非常快的计算能力 • 手动和即时的网格划分 • 半自动或手动转换输入 CAD 模 型 • 定义物体和参数化元件 • 不需要 CAD 软件经验 • Command Center 优化功能具有 很强的应用性 • 只适用于电子散热领域 • 手动输入直走线上的电流
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EDB: TEC 制造商库
(EL 模块)
• 支持 Marlow 和 Melcor 的产 品。
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FloEFD 培训
EDB:电子固体材料库
(EL 模块)
• 升级分类，包含了电子领域常 用的材料。 • 包含了所有合金、陶瓷、玻璃 、矿石、压层板、金属、聚合 体和半导体等材料特性。 • 对于常用的 IC 封装，包括了 一个 one-resistor 库。
dvia
dCu dpitch
2 dvia (d via 2dCu ) 2 4 4 n Cu 2 d pitch
• 需要了解详细的图层情况
1Байду номын сангаас2
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FloEFD 培训
封装建模
• 通常 CAD 元件库中不具有元件热模型
• 晶体管建模
– Level 0: – 仅仅使用一个铜块作为热源 – 删除辅助的装置（管脚，封装) – Level 1: – 在塑料块内部增加一个硅芯片和铜 – 元件相嵌 (参见第三天内容) – Level 2: – 利用管脚、芯片、粘合剂等建立热模型
• Level 4: 所有回路(走路)。不建议
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FloEFD 培训
IDF 输入
• IDF 是一种标准的 ASCII 格式，用于板子轮廓和元件 – *brd,*bdf / *emn,*emp / *.bdf,*.ldf / 其它 – There are dialects spoken – Specification available on demand • FLOTHERM 读取 – 仅仅边框很快 – 尺寸和名称可能过滤 • EFD.lab 读取 – 所有细节很慢。 – 没有过滤 • IDF 元件仅仅是 “图片”
EFD: EL-模块功能列表
升级
焦耳加热 双热阻简化模型 打孔板 热管简化模型 PCB 生成器 EDB: 元件双热阻模型库 EDB: 打孔板库 EDB:风扇厂商库 EDB:元件材料库
EDB: TEC 厂商库
EDB:电子固体材料库 EDB: 导热界面材料
EDB = Engineering Database
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散热模型要求
• 原则上，任何 CAD 文件都可用于电子散热的计算，然而 – 机械工程图包含了太多的细节 – 通常不是一个散热模型! – 进行简化并且需要改进/替代
– – – – 去除螺钉，管脚，引脚，封口等 封闭的孔洞 替代风扇的叶片模型和拉伸的打孔板 创建物理元件和板级模型
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Engineering Database – 升级
(EL 模块)
功能 • 大量固体、风扇、热电制冷元件 、双热阻元件被添加至工程数据 库中（Engineering Database） 。 • 增加了导热界面材料库。 • 增加了一个实体描述的常用 IC 封装库，它将IC封装简化为具有 等效密度、比热和热导率的一维 实体，从而用于仿真模拟。 获益 • 用于可以直接进行预定义和 验证电子元件的相关特性， 这些元件是用户设计中所采 用的。 • 方便用户选择合适和正确的 元件数据。 • 通过用户自己定义或者用户 希望添加库中没有的元件供 应商数据，工程数据库可以 进一步的扩展。
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PCB板建模
• 不是仅仅使用环氧材料 (k=0.2 W/m K) • Level 0: k=10 W/m K • Level 1: 正交各向异性热导率
D kn N di i 1 k i
垂直平面方向热导率 (W/mK)
kp
k
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di
D
• Level 2: 具有更多细节的独立层
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EFD: 电子特性使用
• 升级 Flow Analysis 菜单
• 新的工具栏
• 升级 Engineering Database
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打孔板
(EL 模块)
• 这一简化模型可以用于描述具有大量 小孔的薄板。不需要进行网格划分， 只需直接描述孔的特征。 • 可以在其上定义边界条件，例如环境 压力条件或已定义的风扇。 • 通过设置 Free Area Ratio 、孔的形 状（圆形、矩形、多边形）和尺寸可 以定义打孔板。 • 自动计算压降损失系数 （Pressure drop coefficient）。