最后一讲-FloEFD - 电子散热补充资料 CN
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FloEFD 电子散热补充资料
FloEFD Training
MECHANICAL ANALYSIS DIVISION
电子散热基础
目录
EL-模块 PCB生成器 双热阻简化模型 焦耳热
热管 工程库
板和部件建模 简单，更详细 (重叠部件) IDF 导入 热过孔
2
热分析模型要求
原则上, 任意 CAD 图可以用来分析电子散热，然而
38
简化模型
为多孔介质创建固体模型
应与显示的所有模型的边界匹配
记录截面流动面积 记录流动方向长度
39
简化模型
移除详细模型
元件控制 固体模型压缩和/或删除
40
简化模型
工程数据库中定义多孔介质
‘Unidirectional’ (单向性)，以及 ‘Pressure Drop(压降), Flowrate(流 速), Dimensions(尺寸)’ 等选项
Marlow 和 Melcor 部件支持 库
29
工程数据库: 电子固体材料库
(EL 模型)
典型电子系统设计所需材料 包括的材料有：IAlloys, Ceramics, Glasses & Minerals, Laminates, Metals, Polymers 和 Semiconductors. 为典型的IC封装提供特殊的 单热阻库。
*brd,*bdf / *emn,*emp / *.bdf,*.ldf / 其他 根据要求可提供设计信息
FloEFD 可导入IDF格式
所有部件作为单独的一个体创建 不可以筛选
IDF 格式模型只是包含高度的封装规格 (模型精 简是必要的)
5
IDF 修复
删除不必要的小部件
将其总功率平铺到电路板上
删除不必要的细节 (孔) 最后简化模型替换块状区域
23
焦耳热 – 网格化问题
Mesh Sensitivity
5 4.5 4 Joule Heating (Watts) 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 # of cells across trace 1 0.9 0.8
Voltage Drop (Volts)
Level 0:
仅标记铜为热源 删除辅助部件(引脚,外壳等)
Level 1:
在塑料块中添加芯片和铜
嵌套部件 Level 2:
创建包含引脚、芯片和黏结件的热模型
10
其他 (逻辑) 封装
Level 0: 块集总传导率
k=5 to 20 W/m K 指示壳温
Level 1: 双热阻简化模型
相信供应商提供的datasheet 注意: 只有主要热流流向电路板或者外壳， 2R 模型概念才成立。 半数情况下经常有争议。
37
简化模型
计算风道分析
入口应用典型速度 (200 to 800 ft/min)
使用 ‘Clone Project’ 功能迅速变更速度 在批处理中计算3-4个速度
测量不同速度下通过风道的 ∆P
在入口设定压力目标点 定义Equation Goal，减去环境压力获取∆P
记录 ∆P 和 对应的V
速度在一列，压降在其右一列
流动分析菜单升级
新的工具条
工程数据库升级
14
多孔板
(EL 模型)
该简化模型主要用来代表多孔的薄板。 它可以作为开口压力条件或风扇条件 下的增加附加条件。 多孔板需要定义开孔率, 开孔形状 (圆, 矩形或者规则多边)以及孔的尺寸。 自动计算压降系数
15
焦耳热 (EL – 模型)
软件能够计算导电固体的稳态直 流电。 材料的电阻率可以是各向同性或 者是各向异性或者随温度而变化。 自动计算相应具体的焦耳加热效 应，包括传热计算。 只有导电材料如金属与复合金属 材料才能计算电势和电流。 绝缘体, 半导体, 流体以及无 效区域无法计算电势和电流
8
热过孔
使用一带有效传导率垂直于PCB的固体模拟穿孔
dvia
dCu
2 d via (d via − 2d Cu ) 2 π 4 − 4 λn ≈ λCu 2 d pitch
dpitch
需要了解层的详细信息
9
封装模拟
CAD 库内的模型通常不能直接作为热分析模型
晶体管建模
电路板长度 L
元件
平板散热器
母板 子板 流向
35
简化模型
计算风道分析 (仅流动)
电路板侧面图
母板元件+ 子板 入口(默认) 计算域 出口 (默认)
L 电路板 正面图
L 散热器 子板
L
4 1 2
说明: - 母板不包含在风道分析中 - 电路板元件入口和出口细分网格
3
1, 2, 3, 4: 对称面
36
说明:
机械图稿含有过多细节 通常不能作为热分析模型！ 通常不能作为热分析模型！ 简化和改进/替换模型是必要的 剔出不参与分析的部件如螺钉、引脚、密封等 封闭孔 替换风机叶片模型和穿孔部件 创建 物理 部件和电路板模型
3
电路板建模
Normal Conductivity (W/mK)
不要仅使用Epoxy (k=0.2 W/m K) Level 0: k=10 W/m K Level 1: 各向异性传导率
16
焦耳热
(EL 模型)
建模建议 建议良好解析不与全局坐标系统对齐的 薄单元如薄型弯曲导线. 当在厚度方向有 5个单元时薄型弯曲导线的良好精度就能 得到。如果它与全局坐标系平面对齐 (不弯折，与网格无角度)就没有必要细 化薄型单元. 建议对更高电阻值的元件使用更高精度 的网格 接触面也应划分好计算网格 不要在一个面以上应用电阻率。输入值 默认为总电阻
26
wenku.baidu.com
工程数据库: 风扇库
(EL 模型)
27
工程数据库: 部件材料库
(EL模型)
支持JEDEC 标准 支持封装类型：CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP
28
工程数据库: TEC 库
(EL 模型)
输入之前记录的域和长度 点击Tables and Curves 图标
41
简化模型
Tables and Curves 图标 (表格和曲线)
从数据表粘贴 (Ctrl-V) 到图表
42
简化模型
计算风道分析
重新运行包含多孔介质的风 道分析模型 (没有其他模型!) 保证详细模型和简化模型所 计算的∆P 一致
25
Engineering Database - 库升级
(EL 模型)
特性 新增了大量的固体材料、风扇、 TEC和双热阻部件库。 新增了界面材料库。 新增了代表IC封装的单块库， 提供有效密度，有效导热系数。 优势 用户可以直接获取预定义的与 电子部件相关的有效特性 并可以扩展库 对电子散热分析作用巨大
30
工程数据库： 工程数据库：界面材料库
(EL 模型)
界面材料库：Bergquist, Chomerics, Dow Corning and Thermagon. 这些数据通常很难获取，这些数据都比较真实。
31
创建简化模型
32
简化模型
为什么系统级分析需要简化模型？
更快的解决方案
更少网格 减少迭代– 简化耦合换热问题
电子模块特性
焦耳热 双热阻部件简化模型 多孔板 热管简化模型 PCB 生成器 工程数据库: 2-R 器件库 工程数据库: 多孔板库 工程数据库: 风扇库 工程数据库: 部件材料库 工程数据库: TEC 库 工程数据库: 电子固体材料库 工程数据库: 界面材料库
EDB =工程数据库
13
FloEFD: 电子模块特性
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Joule Heat Voltage Drop
24
热管简化模型
(EL 模型)
模型代表热管，需要指 定热管整体有效热阻， 指定热流进出口面。 热管性能取决于许多因 素，如斜度、方向、长 度等。用户可以通过指 定不同的有效热阻模型 仿真不同的条件。 避免了模拟复杂的两项 流。
2R模型 详细模型
6
PCB 生成器
(EL 模块)
手动输入k 可定义任意板 PCB 生成器
通过PCB结构和指定的导体与绝缘材料得 到两个方向的导热系数、 法向和层内导 热系数 PCB可以是任意方向
如：斜置板
7
模拟建议:
PCB形状必须是矩形的块状. 对于斜置PCB与另一非斜置PCB, 建议斜板直接插入非斜板或者连接 块 ，连接部分的网格要细化. 例如, 该区域应该细分网格: 最简单的方法是采用局部网格 设定连接的边和设定增加固体 网格等级.
如果实际压降 vs速度测试数据已知（从包含近似模型的实际风道 模型到以下幻灯片中显示的模型中），可以立刻设置多孔介质。 在模拟项目的前后计算域需分别扩展一个长度，值得注意的是这 也许还不够。所以应该经常检查入口流动是否均匀（均匀的压力 场），同时在项目后面检查流动结束时恢复的位置。如果出口处 流动没有完全恢复，则需扩展计算域保证均匀的出口流动。
11
2R部件简化模型(EL 模型)
双热阻部件简化模型针对电 子封装模拟.需要预定义：结 －壳热阻(Rjc)和结－板热阻 (Rjb)。
FloEFD中封装几何由两个板 型固体组成，分别代表结与 壳, 双热阻模型将热阻数据分 别应用上去。
基于JEDEC标准做过测试。
12
FloEFD: 电子模块特性列表
操作简便、调整方便
使用简化模型模拟的典型设备
电源设备 滤波器, EMI屏蔽设备 电路板 热交换器
33
简化模型
简化模型的流体部分
固体模型代表全封闭区域 模型多孔区域定义多孔介质
简化模型的热部分
设定热源为所有物体热量
34
简化模型
计算风道分析
当设备压降信息缺乏时需要 验证流阻设定时需要 案例: 创建电路板简化模型
D kn = N di ∑ i =1 k i
∑k
kp =
i =1
N
i
⋅ di
In-P lan e
Co nd
D
uct iv
ity (W /mK )
Level 2: 各层详细信息
Level 4: 所有电路(traces)。不可能。
4
IDF 导入
IDF是一种标准的 ASCII 格式，描述电路基板外 形和零件资料。
1A
0V
0V
☺
1A
17
焦耳热- PCBs
主要目标 确定走线最高温度 设计受到FR4的传 导极限(为110 ºC) 或焊料完整性的限 制 确定所需走线宽度以避 免产生热问题
0 mV 1A
确定最大容许电流 确定所沿走线的电压降
18
焦耳热 – 网格化问题
1A
0 mV
19
焦耳热– 网格化问题
Use CAD Geometry: OFF 1A
电路板简化模型侧面图 多孔介质
L
L
L
43
说明:
均衡的多孔介质表示可以捕捉到电路板以及元件产生的压降的整体效应，但是无法观 察到局部效应。
44
简化模型
简化模型的热部分
设定体积热源，尺寸与多孔介质等同 设定散热量，等同于电路板上所有物体散热的总和
电路板简化模型侧面图 体积热源
L
L
L
45
简化模型
在系统中用简化模型替代详细模型
系统正面图 母板(固体对象) 简化模型: 母板元件+ 子板 (多孔介质 + 体积热源)
46
Use CAD Geometry: ON
0 mV
20
焦耳热 – 网格化问题
1A
21
焦耳热 – 网格化问题
使用CAD模型: OFF
使用CAD模型: ON
22
焦耳热 – 网格化问题
在与网格坐标不对齐的走 线截面上，至少要保证有 5个网格，由于无法保证 所有走线部分都满足这一 要求，因此需要进一步检 查。
FloEFD Training
MECHANICAL ANALYSIS DIVISION
电子散热基础
目录
EL-模块 PCB生成器 双热阻简化模型 焦耳热
热管 工程库
板和部件建模 简单，更详细 (重叠部件) IDF 导入 热过孔
2
热分析模型要求
原则上, 任意 CAD 图可以用来分析电子散热，然而
38
简化模型
为多孔介质创建固体模型
应与显示的所有模型的边界匹配
记录截面流动面积 记录流动方向长度
39
简化模型
移除详细模型
元件控制 固体模型压缩和/或删除
40
简化模型
工程数据库中定义多孔介质
‘Unidirectional’ (单向性)，以及 ‘Pressure Drop(压降), Flowrate(流 速), Dimensions(尺寸)’ 等选项
Marlow 和 Melcor 部件支持 库
29
工程数据库: 电子固体材料库
(EL 模型)
典型电子系统设计所需材料 包括的材料有：IAlloys, Ceramics, Glasses & Minerals, Laminates, Metals, Polymers 和 Semiconductors. 为典型的IC封装提供特殊的 单热阻库。
*brd,*bdf / *emn,*emp / *.bdf,*.ldf / 其他 根据要求可提供设计信息
FloEFD 可导入IDF格式
所有部件作为单独的一个体创建 不可以筛选
IDF 格式模型只是包含高度的封装规格 (模型精 简是必要的)
5
IDF 修复
删除不必要的小部件
将其总功率平铺到电路板上
删除不必要的细节 (孔) 最后简化模型替换块状区域
23
焦耳热 – 网格化问题
Mesh Sensitivity
5 4.5 4 Joule Heating (Watts) 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 # of cells across trace 1 0.9 0.8
Voltage Drop (Volts)
Level 0:
仅标记铜为热源 删除辅助部件(引脚,外壳等)
Level 1:
在塑料块中添加芯片和铜
嵌套部件 Level 2:
创建包含引脚、芯片和黏结件的热模型
10
其他 (逻辑) 封装
Level 0: 块集总传导率
k=5 to 20 W/m K 指示壳温
Level 1: 双热阻简化模型
相信供应商提供的datasheet 注意: 只有主要热流流向电路板或者外壳， 2R 模型概念才成立。 半数情况下经常有争议。
37
简化模型
计算风道分析
入口应用典型速度 (200 to 800 ft/min)
使用 ‘Clone Project’ 功能迅速变更速度 在批处理中计算3-4个速度
测量不同速度下通过风道的 ∆P
在入口设定压力目标点 定义Equation Goal，减去环境压力获取∆P
记录 ∆P 和 对应的V
速度在一列，压降在其右一列
流动分析菜单升级
新的工具条
工程数据库升级
14
多孔板
(EL 模型)
该简化模型主要用来代表多孔的薄板。 它可以作为开口压力条件或风扇条件 下的增加附加条件。 多孔板需要定义开孔率, 开孔形状 (圆, 矩形或者规则多边)以及孔的尺寸。 自动计算压降系数
15
焦耳热 (EL – 模型)
软件能够计算导电固体的稳态直 流电。 材料的电阻率可以是各向同性或 者是各向异性或者随温度而变化。 自动计算相应具体的焦耳加热效 应，包括传热计算。 只有导电材料如金属与复合金属 材料才能计算电势和电流。 绝缘体, 半导体, 流体以及无 效区域无法计算电势和电流
8
热过孔
使用一带有效传导率垂直于PCB的固体模拟穿孔
dvia
dCu
2 d via (d via − 2d Cu ) 2 π 4 − 4 λn ≈ λCu 2 d pitch
dpitch
需要了解层的详细信息
9
封装模拟
CAD 库内的模型通常不能直接作为热分析模型
晶体管建模
电路板长度 L
元件
平板散热器
母板 子板 流向
35
简化模型
计算风道分析 (仅流动)
电路板侧面图
母板元件+ 子板 入口(默认) 计算域 出口 (默认)
L 电路板 正面图
L 散热器 子板
L
4 1 2
说明: - 母板不包含在风道分析中 - 电路板元件入口和出口细分网格
3
1, 2, 3, 4: 对称面
36
说明:
机械图稿含有过多细节 通常不能作为热分析模型！ 通常不能作为热分析模型！ 简化和改进/替换模型是必要的 剔出不参与分析的部件如螺钉、引脚、密封等 封闭孔 替换风机叶片模型和穿孔部件 创建 物理 部件和电路板模型
3
电路板建模
Normal Conductivity (W/mK)
不要仅使用Epoxy (k=0.2 W/m K) Level 0: k=10 W/m K Level 1: 各向异性传导率
16
焦耳热
(EL 模型)
建模建议 建议良好解析不与全局坐标系统对齐的 薄单元如薄型弯曲导线. 当在厚度方向有 5个单元时薄型弯曲导线的良好精度就能 得到。如果它与全局坐标系平面对齐 (不弯折，与网格无角度)就没有必要细 化薄型单元. 建议对更高电阻值的元件使用更高精度 的网格 接触面也应划分好计算网格 不要在一个面以上应用电阻率。输入值 默认为总电阻
26
wenku.baidu.com
工程数据库: 风扇库
(EL 模型)
27
工程数据库: 部件材料库
(EL模型)
支持JEDEC 标准 支持封装类型：CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP
28
工程数据库: TEC 库
(EL 模型)
输入之前记录的域和长度 点击Tables and Curves 图标
41
简化模型
Tables and Curves 图标 (表格和曲线)
从数据表粘贴 (Ctrl-V) 到图表
42
简化模型
计算风道分析
重新运行包含多孔介质的风 道分析模型 (没有其他模型!) 保证详细模型和简化模型所 计算的∆P 一致
25
Engineering Database - 库升级
(EL 模型)
特性 新增了大量的固体材料、风扇、 TEC和双热阻部件库。 新增了界面材料库。 新增了代表IC封装的单块库， 提供有效密度，有效导热系数。 优势 用户可以直接获取预定义的与 电子部件相关的有效特性 并可以扩展库 对电子散热分析作用巨大
30
工程数据库： 工程数据库：界面材料库
(EL 模型)
界面材料库：Bergquist, Chomerics, Dow Corning and Thermagon. 这些数据通常很难获取，这些数据都比较真实。
31
创建简化模型
32
简化模型
为什么系统级分析需要简化模型？
更快的解决方案
更少网格 减少迭代– 简化耦合换热问题
电子模块特性
焦耳热 双热阻部件简化模型 多孔板 热管简化模型 PCB 生成器 工程数据库: 2-R 器件库 工程数据库: 多孔板库 工程数据库: 风扇库 工程数据库: 部件材料库 工程数据库: TEC 库 工程数据库: 电子固体材料库 工程数据库: 界面材料库
EDB =工程数据库
13
FloEFD: 电子模块特性
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Joule Heat Voltage Drop
24
热管简化模型
(EL 模型)
模型代表热管，需要指 定热管整体有效热阻， 指定热流进出口面。 热管性能取决于许多因 素，如斜度、方向、长 度等。用户可以通过指 定不同的有效热阻模型 仿真不同的条件。 避免了模拟复杂的两项 流。
2R模型 详细模型
6
PCB 生成器
(EL 模块)
手动输入k 可定义任意板 PCB 生成器
通过PCB结构和指定的导体与绝缘材料得 到两个方向的导热系数、 法向和层内导 热系数 PCB可以是任意方向
如：斜置板
7
模拟建议:
PCB形状必须是矩形的块状. 对于斜置PCB与另一非斜置PCB, 建议斜板直接插入非斜板或者连接 块 ，连接部分的网格要细化. 例如, 该区域应该细分网格: 最简单的方法是采用局部网格 设定连接的边和设定增加固体 网格等级.
如果实际压降 vs速度测试数据已知（从包含近似模型的实际风道 模型到以下幻灯片中显示的模型中），可以立刻设置多孔介质。 在模拟项目的前后计算域需分别扩展一个长度，值得注意的是这 也许还不够。所以应该经常检查入口流动是否均匀（均匀的压力 场），同时在项目后面检查流动结束时恢复的位置。如果出口处 流动没有完全恢复，则需扩展计算域保证均匀的出口流动。
11
2R部件简化模型(EL 模型)
双热阻部件简化模型针对电 子封装模拟.需要预定义：结 －壳热阻(Rjc)和结－板热阻 (Rjb)。
FloEFD中封装几何由两个板 型固体组成，分别代表结与 壳, 双热阻模型将热阻数据分 别应用上去。
基于JEDEC标准做过测试。
12
FloEFD: 电子模块特性列表
操作简便、调整方便
使用简化模型模拟的典型设备
电源设备 滤波器, EMI屏蔽设备 电路板 热交换器
33
简化模型
简化模型的流体部分
固体模型代表全封闭区域 模型多孔区域定义多孔介质
简化模型的热部分
设定热源为所有物体热量
34
简化模型
计算风道分析
当设备压降信息缺乏时需要 验证流阻设定时需要 案例: 创建电路板简化模型
D kn = N di ∑ i =1 k i
∑k
kp =
i =1
N
i
⋅ di
In-P lan e
Co nd
D
uct iv
ity (W /mK )
Level 2: 各层详细信息
Level 4: 所有电路(traces)。不可能。
4
IDF 导入
IDF是一种标准的 ASCII 格式，描述电路基板外 形和零件资料。
1A
0V
0V
☺
1A
17
焦耳热- PCBs
主要目标 确定走线最高温度 设计受到FR4的传 导极限(为110 ºC) 或焊料完整性的限 制 确定所需走线宽度以避 免产生热问题
0 mV 1A
确定最大容许电流 确定所沿走线的电压降
18
焦耳热 – 网格化问题
1A
0 mV
19
焦耳热– 网格化问题
Use CAD Geometry: OFF 1A
电路板简化模型侧面图 多孔介质
L
L
L
43
说明:
均衡的多孔介质表示可以捕捉到电路板以及元件产生的压降的整体效应，但是无法观 察到局部效应。
44
简化模型
简化模型的热部分
设定体积热源，尺寸与多孔介质等同 设定散热量，等同于电路板上所有物体散热的总和
电路板简化模型侧面图 体积热源
L
L
L
45
简化模型
在系统中用简化模型替代详细模型
系统正面图 母板(固体对象) 简化模型: 母板元件+ 子板 (多孔介质 + 体积热源)
46
Use CAD Geometry: ON
0 mV
20
焦耳热 – 网格化问题
1A
21
焦耳热 – 网格化问题
使用CAD模型: OFF
使用CAD模型: ON
22
焦耳热 – 网格化问题
在与网格坐标不对齐的走 线截面上，至少要保证有 5个网格，由于无法保证 所有走线部分都满足这一 要求，因此需要进一步检 查。