Flotherm在實際問題中的應(yīng)用

在熱校模工作的幫助下，F(xiàn)lotherm軟件可以比較準確地仿真模擬電子設(shè)備的溫度分布，誤差值在5℃以內(nèi)。應(yīng)用軟件Flotherm解決某型設(shè)備元器件過熱問題，從添加散熱板和在結(jié)構(gòu)件上開散熱孔兩方面分析散熱改善效果，發(fā)現(xiàn)添加散熱板散熱改善幅度達到2.8℃～10.5℃，在結(jié)構(gòu)上開散熱孔散熱效果改善幅度達到3.0℃～3.3℃，兩者若同時考慮則散熱效果最佳，改善幅度達到5.8℃～12.5℃；不同熱導(dǎo)率的絕緣導(dǎo)熱墊散熱效果差異在0.1℃～0.5℃；鋁合金散熱板和銅合金散熱板散熱效果差異在0.7℃～1.3℃。

【關(guān)鍵詞】Flotherm 熱仿真 熱校模工作

電子設(shè)備的過熱是電子產(chǎn)品失效的主要原因之一，嚴重地限制了電子產(chǎn)品性能及可靠性的提高，也降低了設(shè)備的工作壽命。研究資料表明：半導(dǎo)體元件的溫度升高10℃，可靠性降低50%，當(dāng)元器件在很高的溫度下工作時，其失效率按指數(shù)關(guān)系增長。因此電子設(shè)備內(nèi)的溫升必須予以控制，而運用良好的散熱措施來有效地解決這個問題則是關(guān)鍵。Flotherm軟件仿真法避免了傳統(tǒng)方法中因經(jīng)驗不足、數(shù)據(jù)不充分所導(dǎo)致的誤差以及繁瑣的解析計算過程。這種方法基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，利用成熟的數(shù)值計算方法，能夠得到與實際非常接近的結(jié)果，有效地反映電子設(shè)備的溫度分布。

公司某型設(shè)備因某些元器件過熱引發(fā)故障，通過應(yīng)用Flotherm軟件對該產(chǎn)品進行熱仿真，計算多種方案，尋找最優(yōu)方案，解決元器件過熱問題。

1 物理模型

設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 分析模型的建立

2.1 模塊模型熱校模

根據(jù)收集的設(shè)計信息，建立計算機板模型（如圖2所示）。為節(jié)省計算成本，元器件簡化成長方體，并以設(shè)置熱阻（結(jié)-板熱阻和結(jié)-殼熱阻）形式替代元器件的封裝模型。圖2中的A、B、C和D四個芯片為前期確認的過熱元器件。

由于元器件的熱阻由其封裝設(shè)計和焊盤大小決定，當(dāng)元器件焊接到印制板時，它的熱阻參數(shù)也已確定，因此可以單獨對某個模塊進行熱校模工作。本文的熱校模方法：首先，將模塊2運行到正常工作狀態(tài)，持續(xù)時間為1小時；然后，使用紅外測溫儀對模塊2進行拍照，捕捉模塊2的各個元器件的溫度值；最后，通過對元器件的熱耗和熱阻進行調(diào)整，使分析模型的熱分布與測試結(jié)果相近（相差在5℃之內(nèi)），如表1所示。

2.2 產(chǎn)品分析模型

對結(jié)構(gòu)件的圓角、小臺階、小孔等特征進行適當(dāng)簡化，并將校模后的模塊模型裝配到結(jié)構(gòu)件上，完成產(chǎn)品的分析模型建立。

3 改進措施

考慮到成本問題，本文在不改變產(chǎn)品的布局和各模塊的元器件布局的條件下，從添加散熱板和結(jié)構(gòu)件開散熱孔兩個方面對產(chǎn)品進行改進嘗試。

3.1 添加散熱板

給模塊2添加散熱板，如圖3所示。因空間有限，暫不考慮散熱翅片，從散熱板材料和導(dǎo)熱墊材料兩方面考慮。

3.1.1 散熱板材料的影響

散熱板材料用的比較多的是鋁合金和銅合金。通過應(yīng)用Flotherm仿真計算得出選用不同散熱板材料時模塊2過熱元器件的溫度分布。添加散熱板后元器件的殼溫降低幅度較大，幅度達到2.8℃～10.5℃，元器件的殼溫都低于其額定工作最高環(huán)境溫度值；選用不同散熱板材料時的元器件殼溫差異在0.7℃～1.3℃，銅合金散熱板偏優(yōu)。

3.1.2 導(dǎo)熱墊的影響

為了提高元器件和散熱板之間的導(dǎo)熱性能，一般都會在兩者之間添加絕緣導(dǎo)熱墊。絕緣導(dǎo)熱墊的熱阻取決于它的類型和厚度，公式如下：

Rkc=

式中：Rkc為絕緣導(dǎo)熱墊熱阻（℃/W）；S為有效接觸面積（m2）；δ為絕緣導(dǎo)熱墊厚度（m）；K 為絕緣導(dǎo)熱墊的熱導(dǎo)率（W/m·℃）。由公式可以看出，絕緣導(dǎo)熱墊厚度越小，熱導(dǎo)率越高，其熱阻就越小。

考慮到芯片的高度公差，導(dǎo)熱墊厚度選取為1mm。導(dǎo)熱墊型號選取公司內(nèi)導(dǎo)熱率較高的兩種導(dǎo)熱墊，其材料的導(dǎo)熱性能參數(shù)如表2所示。

當(dāng)散熱板材料選擇鋁合金時，通過應(yīng)用Flotherm仿真計算得出選用不同熱導(dǎo)率的絕緣導(dǎo)熱墊時模塊2過熱元器件的溫度分布。選用不同導(dǎo)熱墊時的元器件殼溫差異在0.1℃～0.5℃，選用導(dǎo)熱墊Ⅱ時偏優(yōu)，但差異不大。

3.2 結(jié)構(gòu)件開散熱孔

在結(jié)構(gòu)件上開散熱孔，有利于機箱內(nèi)部熱空氣與外部冷空氣的交換，從而增加模塊的散熱效率。散熱孔的布置原則應(yīng)使進、出風(fēng)孔盡量遠離，進風(fēng)孔應(yīng)開在機箱的下端接近底板處，出風(fēng)孔應(yīng)開在機箱側(cè)上端接近頂板處，以形成煙囪效應(yīng)。開孔方案如圖4所示。

在添加鋁合金散熱板，導(dǎo)熱墊選用導(dǎo)熱墊Ⅰ的條件下，通過應(yīng)用Flotherm仿真計算得到結(jié)構(gòu)件開孔對模塊2過熱元器件溫度的影響。結(jié)構(gòu)件開孔時模塊2過熱元器件溫度比結(jié)構(gòu)件不開孔時低3.0℃～3.3℃；當(dāng)同時給過熱元器件添加散熱板和在結(jié)構(gòu)上開散熱孔時，散熱改善效果最佳，改善幅度達到5.8℃～12.5℃。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用Flotherm軟件仿真計算，解決某型設(shè)備產(chǎn)品過熱問題，通過比較不同散熱方案，對各種影響因素進行分析計算，發(fā)現(xiàn)：

（1）通過完成熱校模工作，F(xiàn)lotherm軟件仿真可以得到與實際非常接近的結(jié)果，誤差在5℃以內(nèi)，給熱設(shè)計工程師提供詳實準確的數(shù)據(jù)支撐材料；

（2）給過熱元器件添加散熱板后，元器件的殼溫降低幅度達到2.8℃～10.5℃；在結(jié)構(gòu)件上打散熱孔，元器件的殼溫降低幅度達到3.0℃～3.3℃；不同熱導(dǎo)率的絕緣導(dǎo)熱墊散熱效果差異在0.1℃～0.5℃；鋁合金散熱板和銅合金散熱板散熱效果差異在0.7℃～1.3℃。

（3）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，同時考慮給過熱元器件添加散熱板和在結(jié)構(gòu)件上開散熱孔兩項措施散熱改善效果最佳，改善幅度達到5.8℃～12.5℃，解決產(chǎn)品元器件過熱問題。

參考文獻

[1]李波，李科群，俞丹海.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子機械工程，2008，24（3）：11-13.

[2]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2000.

作者簡介

蔡軍（1986-），男，江蘇省江都市人。現(xiàn)為蘇州長風(fēng)航空電子有限公司工程師。研究方向為電子產(chǎn)品仿真計算分析。

作者單位

蘇州長風(fēng)航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215000