少不了的集总参数法 建模热仿真

2014-07-25 09:39 来源:电子信息网 作者:娣雾儿

预测器件的温度是热仿真的主要目的,而控制温度则是热设计工作的中心目的。无论哪种方式,热量是器件散热发出的,器件升温变热,如果温度过高,器件损坏甚至导致整个电路不能正常工作。因此当进行热仿真时,那么如何创建一个好的器件模型是热仿真的关键所在。

截止目前,大部分热仿真工作采用的都是CFD技术。使用3D的CFD技术来定义器件、单板、散热器、机箱、风机等一切输入。然后通过对N-S方程进行简化,并采用不同的差分格式来进行热和流动的计算。

为什么没有任何关于建立器件模型的问题呢?当然你很想第一它,因为它们是现实中存在的东西。但这一切都有赖于器件数据的可用性。器件是相当复杂的,包含了很多不同的部件,而且有不同的材料属性,从引脚到引脚架,从内部散热片到晶片等等,如果自己动手一个个建立每个部件,那将是一个很复杂甚至疯狂的事。

那么,为什么不从器件生产商哪儿获取器件的详细信息呢?那是因为器件的内部构造是生产商们的核心机密,它们最多可以给大家提供一个完整的3D物理描述。

然而对于热设计工程师而言,器件信息的缺失对于热仿真来说是个非常严重的问题。但是,信息的缺失却无法改变迫切的需求,因此在20年来出现了很多种不同的器件建模方式。

首先,集中参数法块模型(Lumped Block)是最早出现的,它就是把器件看成单一材料的3D实体块。

对于一些列的数据来说,我们最实用的数据就是器件的尺寸,这是由生产商根据需求进行设计的。器件封装技术发展到现在,根据不同的封装类型及封装尺寸,不同厂家的器件基本都遵循了通用的封装规格,只是内部的构造有所不同。

在现实中,一个器件不同位置的温度是不一样的。结(die)的温度最高,而封装的四周边角温度则最低。器件一般都会被要求工作在一个指定的最高结温或壳温下。那么我们如何能通过块模型来获取器件的温度分布情况呢?答案是否定的,块模型无法准确的获得器件自身的温度分布情况。即使你知道结的准确位置也没有用,因为你不知道内部热流的流动情况。因此,在使用块模型时,你只需要把他当做一个物性一致的发热块即可,它不能非常准确的预测器件自身的温度分布,但相对于整个系统来说,这个器件(无论详细模型还是块模型)发热引起的系统热流场是基本一致的。

下面对于块模型而言,我们需要考虑的就是其材料属性的定义。一个3D的热仿真需要每一个固体物质都有导热系数(稳态)以及密度、热容(瞬态)的定义。那么我们该如何定义块模型器件的导热系数呢?块模型是一种通过集中参数法来简化的建模方式,也就是将器件内部不同的材料依据含量、材料属性等来计算出一个等效值,赋予给块模型。但是,对于我们热设计工程师而言,我们是很难获得器件内部结构及相关材料属性的。

在20年前,热仿真工程师们根据当时的器件封装情况及热仿真经验将器件的导热系数统一设置为10W/m-k。几年后,随着器件封装技术的发展及仿真软件自身的发展,Flotherm公司推荐热设计工程师们在设置器件属性的时候将塑料封装的器件设置为5W/m-k,而陶瓷封装的器件设置为15W/m-k。

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