Flotherm有限元熱仿真器件建模方法之集總參數(shù)法

 預(yù)測器件的溫度是熱仿真的中心目的，而控制他們的溫度則是熱設(shè)計工作的中心目的。無論哪種方式，熱量是器件散熱發(fā)的，器件逐漸變熱，如果器件變得過熱，它將工作異常甚至永久性損壞。因此的，當你做熱仿真時，如何創(chuàng)建一個好的器件模型將是一個關(guān)鍵。

 截止目前，大部分熱仿真工作采用的都是CFD技術(shù)。使用3D的CFD技術(shù)來定義器件、單板、散熱器、機箱、風(fēng)機等一切輸入。然后通過對N-S方程進行簡化，并采用不同的差分格式來進行熱和流動的計算。

 為什么沒有任何關(guān)于建立器件模型的問題呢？當然你很想第一它，因為它們是現(xiàn)實中存在的東西。但這一切都有賴于器件數(shù)據(jù)的可用性。器件是相當復(fù)雜的，包含了很多不同的部件，而且有不同的材料屬性，從引腳到引腳架，從內(nèi)部散熱片到晶片等等，如果自己動手一個個建立每個部件，那將是一個很復(fù)雜甚至瘋狂的事。

 那么，為什么不從器件生產(chǎn)商哪兒獲取器件的詳細信息呢？那是因為器件的內(nèi)部構(gòu)造是生產(chǎn)商們的核心機密，它們最多可以給大家提供一個完整的3D物理描述。

 然而對于熱設(shè)計工程師而言，器件信息的缺失對于熱仿真來說是個非常嚴重的問題。但是，信息的缺失卻無法改變迫切的需求，因此在20年來出現(xiàn)了很多種不同的器件建模方式。

 下面對于塊模型而言，我們需要考慮的就是其材料屬性的定義。一個3D的熱仿真需要每一個固體物質(zhì)都有導(dǎo)熱系數(shù)（穩(wěn)態(tài)）以及密度、熱容（瞬態(tài)）的定義。那么我們該如何定義塊模型器件的導(dǎo)熱系數(shù)呢？塊模型是一種通過集中參數(shù)法來簡化的建模方式，也就是將器件內(nèi)部不同的材料依據(jù)含量、材料屬性等來計算出一個等效值，賦予給塊模型。但是，對于我們熱設(shè)計工程師而言，我們是很難獲得器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)材料屬性的。

 在20年前，熱仿真工程師們根據(jù)當時的器件封裝情況及熱仿真經(jīng)驗將器件的導(dǎo)熱系數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為10W/m-k。幾年后，隨著器件封裝技術(shù)的發(fā)展及仿真軟件自身的發(fā)展，F(xiàn)lotherm公司推薦熱設(shè)計工程師們在設(shè)置器件屬性的時候?qū)⑺芰戏庋b的器件設(shè)置為5W/m-k，而陶瓷封裝的器件設(shè)置為15W/m-k。

 首先，集中參數(shù)法塊模型（LumpedBlock）是最早出現(xiàn)的，它就是把器件看成單一材料的3D實體塊。

 對于一些列的數(shù)據(jù)來說，我們最實用的數(shù)據(jù)就是器件的尺寸，這是由生產(chǎn)商根據(jù)需求進行設(shè)計的。器件封裝技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，根據(jù)不同的封裝類型及封裝尺寸，tyrp.net不同廠家的器件基本都遵循了通用的封裝規(guī)格，只是內(nèi)部的構(gòu)造有所不同。

 在現(xiàn)實中，一個器件不同位置的溫度是不一樣的。結(jié)（die）的溫度最高，而封裝的四周邊角溫度則最低。器件一般都會被要求工作在一個指定的最高結(jié)溫或殼溫下。那么我們?nèi)绾文芡ㄟ^塊模型來獲取器件的溫度分布情況呢？答案是否定的，塊模型無法準確的獲得器件自身的溫度分布情況。即使你知道結(jié)的準確位置也沒有用，因為你不知道內(nèi)部熱流的流動情況。因此，在使用塊模型時，你只需要把他當做一個物性一致的發(fā)熱塊即可，它不能非常準確的預(yù)測器件自身的溫度分布，但相對于整個系統(tǒng)來說，這個器件（無論詳細模型還是塊模型）發(fā)熱引起的系統(tǒng)熱流場是基本一致的。

 然而在Flotherm軟件在8.1版后，提供了各種不同封裝類型的導(dǎo)熱系數(shù)庫（TypicalLumpedPackages），在我們使用塊模型時可以根據(jù)器件的不同封裝類型來應(yīng)用不同的材料屬性。這些值是Flotherm公司根據(jù)不同封裝器件的構(gòu)造特點，使用集中參數(shù)法并參考JEDEC標準環(huán)境下的測試結(jié)果綜合考慮而獲得的。相對之前的兩種設(shè)置方式，其精確度有了進一步的提高。

表1TypicalLumpedPackages庫中各種器件

 然而，使用這種模型精確度究竟如何呢？實際上即使相同的封裝類型、封裝尺寸，不同的生產(chǎn)商所產(chǎn)出的器件都是不一樣的，而我們用簡單的集中參數(shù)法的一個塊模型來代替一種封裝類型的器件，tyrp.net其精度不言而喻。不過大體來說，這種建模方式的精度在70%~~90%之間。但并不能說這種建模方式的精度低，我們就盡量少用。實際上對熱設(shè)計工程師而言，尤其是做系統(tǒng)級仿真的工程師來說，使用這種器件建模方式往往一種比較理想的方式。

 首先，這種建模方式簡單，網(wǎng)格數(shù)比較少。

 其次，對于整個系統(tǒng)來說，器件模型的簡化并不影響整個系統(tǒng)的熱流場，對于系統(tǒng)設(shè)計來說，我們重要的設(shè)計一個良好的熱流系統(tǒng)，使系統(tǒng)中不存熱點、不存在回流以及整個系統(tǒng)具有較小的阻力。那么塊模型建模方式是完全可以滿足我們的需求的。

 最后，回到器件精度上考慮，實際上我們所做的系統(tǒng)往往都是比較復(fù)雜的，也就是相對一個器件來說，這個器件只是整個系統(tǒng)的一小部分，其自身的誤差也許在孤立的環(huán)境下非常大，但當它融入一個復(fù)雜的系統(tǒng)后，由于環(huán)境之間的互相影響，以及熱流通道的增多，它的相對誤差就會大幅度降低。就如一個裸器件的詳細模型和塊模型分別安裝在一個標準的自然散熱的JEDEC環(huán)境中時，其誤差可能非常之大，但是你只要給他們分別裝上散熱片，器件溫度誤差就會縮小，這就是因為影響其散熱的因素增大，其自身的模型的誤差相對其他環(huán)境因素變小了。

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