热设计及热仿真分析
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析摘要：随着装备性能的不断提升，复杂程度的不断提高，以及使用环境的日趋复杂，电子产品对可靠性的要求日益提高，可靠性已成为衡量电子产品使用性能的一项重要指标。
因散热不良引发的故障一直在电子产品故障发生中占有很大的比重，电子产品一旦出现热设计缺陷，往往在设计周期和设计成本等多方面造成极大的损失。
因此需要在产品设计源头加以控制，即在设计之初考虑产品的功能和性能的同时，考虑其散热等因素。
综合电子产品的性能设计和热设计，选择采用什么散热方式、使用何种散热材料等，其目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品。
基于此，本文对电子产品热设计及热仿真技术的应用进行分析，为产品全生命周期设计提供验证支撑，达到合理可靠稳定运行的目的。
关键词：电子产品热设计；热仿真技术；应用分析引言电子产品是基于电子信息技术发展背景下的重要产物，电子信息技术是20世纪初诞生的一种新兴的技术，随着时代的发展与生产技术的不断革新，电子信息技术得到了进一步发展。
进入21世纪之后，电子信息技术已成为科学技术领域的重要标志之一，在各个行业及领域均具有非常广泛的应用。
伴随着大量电子产品的问世，不仅改变了人们传统的生活方式，也为人们的生产与生活带来了巨大的便利。
随着社会信息化的不断发展，电子产品多功能集成和便携的需求日益凸显，电子产品的集成化和小型化就成了目前电子产品的发展趋势，电子产品的集成化意味着功率会大概率的增大，与小型化的发展综合在一起意味着电子产品的单位体积功率密度会不断增大，因此电子产品的热设计就需要从粗放的经验设计向精确化的热理论设计发展。
热仿真就是支持电子产品精确化理论设计最佳手段。
通过热仿真将电子产品在性能设计的基础上叠加热设计，达到电子产品在最优热环境里发挥最佳性能的目的。
1电子产品热设计的意义1.1电子产品进行热设计的优势有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要，将电子产品热功能部件的工作温度控制在其有效工作的温度范围内，是提升电子产品可靠性的基本思路。
最全的热设计基础知识及flotherm热仿真(精品课件)
✓ 强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。 ✓ 热管的传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。
1）为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。 2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便, 价格便宜。 3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很 小， 适合大功率器件的散热。 4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。
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热设计的基础概念
问题：热的单位是什么？ 是℃？
热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在 热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用 下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。 1J=1N·m
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热设计的基础概念
设备会持续发热。像这样，热量连续不断流动时，用“每秒 的热能量”来表示会更容易理解。单位为“J/s”。J/s也可用“W” （瓦特）表示。
L—— 特征尺寸，m； u—— 流体速度，m/s； cp—— 比热容，kJ/(kg·K)； μ—— 动力粘度，Pa·s； λ—— 导热系数，W/(m·K)； αV—— 体膨胀系数，℃－1； g —— 重力加速度，m/s2； ΔT——流体与壁面的温差。
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热辐射
任意物体的辐射能力可用下式计算
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-导热垫
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导热介质-导热双面胶带
热设计与热分析技术
应用范围 数值方法 程序类型
有限体积法 板级
电子设备
有限差分法
器件级、板 级
电子设备 有限体积法 板级
电子设备
有限体积法
板级、设备 级
通用
有限元法 多领域
板级热分析软件应用简介
➢ 热分析数值解法 ➢ Betasoft-Board简介
热分析的数学方法分为两大类：
在传热学领域中，采用的数值计算方法主要有：
·有限差分法 FDM (Finite Difference Method) ·有限元法 FEM (Finite Element Method) ·边界元法 BEM (Boundary Element Method) ·有限分析法 FAM (Finite Analysis Method) ·有限体积法 FVM (Finite Volume Method)
热设计与热分析技术
（第3讲）
讲解人：张 栋
2006年3月29日
内容 功率器件热特性 器件简化热模型 PCB热分析软件浅析
— 功率器件热特性
♫ 典型封装形式 ♫ 散热参数 ♫ 散热及降低热阻的有效措施 ♫ 散热影响因素
芯片封装发展
（1）典型封装形式
常见功率器件 功率二极管 半导体功率开关器件 双极型功率晶体管 功率MOSFET IGBT 功率集成电路(PIC) 集成功率模块
ABGA (Advanced BGA)
外部：
➢ 风扇 ➢ 散热器 ➢ 冷板 ➢ 引脚
Cold-Plate cooled IGBTs
IGBT：绝缘栅双极型晶体管
（4）散热性能的影响因素
器件内部 ·封装结构 ·封装材料 ·耗散功率
器件外部 ·有无散热器 ·散热器材料和形状 ·环境温度 ·器件周围热源远近大
(参考资料)IGBT热仿真建模分析
IGBT功率管热仿真工作总结一、【问题描述】：大功率IGBT是我司产品中的常用器件，尤其是在功率模块中，例如风能功率模块，光伏逆变器等。
在这些产品中，IGBT有一个共同特点：功率密度大，工作温度高。
如果不能建立有效的散热途径，将热量散出，IGBT工作温度超过允许值，就会损毁。
在产品设计的初始阶段，如何利用仿真手段准确评估IGBT的结温，建立有效的散热途径就成为热设计工程师急需解决的问题。
二、【原因分析】：IGBT芯片Diode芯片图1 IGBT内部结构图硅凝胶DBC图 2 IGBT内部芯片焊接结构简图IGBT内部结构如图1所示，发热器件由多组芯片组成，每一组芯片由一个IGBT芯片和一个Diode（二极管）芯片组成（视具体情况而定，有些IGBT中，一组芯片中IGBT 芯片数和Diode芯片数不同）。
图1中绿色方框中的为IGBT芯片，黄色方框中的为Diode 芯片。
如图2所示，IGBT芯片和Diode芯片正上方是一层厚度约5mm ，导热系数为0.15W/m.K的透明硅凝胶；芯片直接焊接在DBC层上，DBC层再焊接在铜基板表面。
DBC层由0.38mm厚氧化铝陶瓷片上下紧密贴附0.3mm厚铜皮组成（DBC的具体结构和制造厂家有关，另外相同厂家不同型号的产品具体结构也不相同，本文只介绍一种典型的结构）。
由于芯片上部的硅凝胶导热系数很小，芯片产生的热量主要通过下方的铜基板传到散热器上。
芯片和散热器之间的热阻分布如图3所示，归纳起来可分为两部分：①结壳热阻（芯片到铜基板的热阻）；②壳到散热器的热阻（铜基板和散热器之间的热阻）。
热流方向图3 IGBT热阻网络图IGBT的最高使用温度和热阻数据可以从厂家提供的器件资料中查到。
通常产品中使用的IGBT管子（一个桥臂）实际是将两个IGBT封装在一起，如图4所示。
厂家给定的热阻值可能是其中一个IGBT的值，也可能是整个IGBT管子（一个桥臂）的热阻，根据具体资料确定。
以英飞凌FF1000R17IE4为例，FF1000R17IE4管子内部共有12组芯片（一组芯片包含一个IGBT芯片和一个Diode芯片；一个IGBT有6组芯片）。
IGBT热仿真建模分析
IGBT功率管热仿真工作总结一、【问题描述】：大功率IGBT是我司产品中的常用器件，尤其是在功率模块中，例如风能功率模块，光伏逆变器等。
在这些产品中，IGBT有一个共同特点：功率密度大，工作温度高。
如果不能建立有效的散热途径，将热量散出，IGBT工作温度超过允许值，就会损毁。
在产品设计的初始阶段，如何利用仿真手段准确评估IGBT的结温，建立有效的散热途径就成为热设计工程师急需解决的问题。
二、【原因分析】：IGBT芯片Diode芯片图1 IGBT内部结构图硅凝胶DBC图 2 IGBT内部芯片焊接结构简图IGBT内部结构如图1所示，发热器件由多组芯片组成，每一组芯片由一个IGBT芯片和一个Diode（二极管）芯片组成（视具体情况而定，有些IGBT中，一组芯片中IGBT 芯片数和Diode芯片数不同）。
图1中绿色方框中的为IGBT芯片，黄色方框中的为Diode 芯片。
如图2所示，IGBT芯片和Diode芯片正上方是一层厚度约5mm ，导热系数为0.15W/m.K的透明硅凝胶；芯片直接焊接在DBC层上，DBC层再焊接在铜基板表面。
DBC层由0.38mm厚氧化铝陶瓷片上下紧密贴附0.3mm厚铜皮组成（DBC的具体结构和制造厂家有关，另外相同厂家不同型号的产品具体结构也不相同，本文只介绍一种典型的结构）。
由于芯片上部的硅凝胶导热系数很小，芯片产生的热量主要通过下方的铜基板传到散热器上。
芯片和散热器之间的热阻分布如图3所示，归纳起来可分为两部分：①结壳热阻（芯片到铜基板的热阻）；②壳到散热器的热阻（铜基板和散热器之间的热阻）。
热流方向图3 IGBT热阻网络图IGBT的最高使用温度和热阻数据可以从厂家提供的器件资料中查到。
通常产品中使用的IGBT管子（一个桥臂）实际是将两个IGBT封装在一起，如图4所示。
厂家给定的热阻值可能是其中一个IGBT的值，也可能是整个IGBT管子（一个桥臂）的热阻，根据具体资料确定。
以英飞凌FF1000R17IE4为例，FF1000R17IE4管子内部共有12组芯片（一组芯片包含一个IGBT芯片和一个Diode芯片；一个IGBT有6组芯片）。
3U-VPX光通信电子设备热设计与仿真分析
71技术交流2022.07·广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2022.07.0183U-VPX 光通信电子设备热设计与仿真分析［陆宣博 甘泉 蒙志雄］近年来，标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和优异的互换性，受到越来越多的客户选择。
但是，由于光通信电子设备通讯速率的速发展，推高了电子设备的功耗，高功耗带来的高温对电子设备的稳定性造成了较大的影响，电子设备的散热问题也越来越突出。
研究了一种3U-VPX 光通信电子设备，等比例建立了三维数字化虚拟模型，结合业务单元的分布情况，采用高功耗热源分布式生长导热凸台和强迫风冷散热措施，使用热仿真分析软件进行热仿真迭代分析，优化的风道设计能较大程度的把热量带出电子设备，能较好地改善电子设备散热问题，对同类型的电子设备热设计具有实际的指导意义。
陆宣博中国电子科技集团公司第三十四研究所。
甘泉中国电子科技集团公司第三十四研究所。
蒙志雄中国电子科技集团公司第三十四研究所。
关键词：3U-VPX 光通信 热仿真 风道设计 高密度集成板卡摘要1 引言电子设备一般是由多种不同的控制接口和输入输出的电子器件组合而成，这些电子器件的可靠性直接关系到整个电子设备的性能，而热性能又是其中一项重要的可靠性指标[1][2]。
近年来，标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和优异的互换性，受到越来越多的客户青睐和选择。
但是，由于光通信电子设备通讯速率的速发展，推高了电子设备的功耗，高功耗带来的高温对电子设备的稳定性造成了较大的影响，3U-VPX 光通信电子设备的散热问题也越来越突出[3][4]。
为了解决3U-VPX 光通信电子设备突出的散热问题，本文将研究设计一种光通信电子设备机箱（本文研究的设备除了进出风口，其余密封），通过建立等比例三维数字化虚拟模型，使用热仿真软件进行真实热环境模拟和热仿真迭代分析，给出详细可靠的设计要素和依据，为结构设计提供有力的数据支撑，从而解决散热问题。
热设计及热分析
热设计及热分析一、热设计热设计是随着通讯和信息技术产业的发展而出现的一个较新的行业，且越来越被重视。
随着通讯和信息产品性能的不断提升和人们对于通讯和信息设备便携化和微型化要求的不断提升，信息设备的功耗不断上升，而体积趋于减小，高热流密度散热需求越来越迫切。
热设计便是采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。
此外，低温环境下控制加热量而使设备启动也是热可靠性的重要内容。
目前，热设计在电动汽车动力系统热管理和热仿真、高科技、医疗设备、军工精密装备等行业中越来越被重视，成为产品研发中不可缺少的重要领域。
二、热分析软件介绍FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80%以上。
三、电子行业热分析电子行业是有限元分析应用的一个重要领域。
随着全球电子工业的飞速发展，电子产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争要求电子产品在性能指标大幅度提高的同时，还要日趋小型化。
电子产品跌落、新型电子材料的研发和制造、音频设备声场特性的设计和评估、电子产品的热力仿真、芯片封装的热分析等的力学仿真是电子领域中很深入、复杂并极具挑战性的课题，需要多门学科的理论和方法的综合应用。
电子产品热分析：众所周知，电子元件在运作的时候，无法达到100%的效率，所流失的能量绝大部分都转换成为热量发散，但是对于电子元件来说，温度每上升10℃，其寿命就减少到原来的一半甚至更短，这就是其随温度而变的特性。
所以进行电脑等各种设备的热仿真有助于提高器件的使用寿命。
1.显卡的散热器仿真显卡热管散热器，通过添加热管能有效的降低热源到散热器的热阻，进而显著提高显卡散热性能。
2. LED封装仿真以及散热片散热性能详细的LED封装模型，通过仿真验证和考察电路板及散热片的散热性能。
计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析
表1PCB 各组成部件名称、尺寸、功率及生热率计算模块印制电路板的热设计和热仿真分析令狐克均饶应明刘忠翔李杨（贵州装备制造职业学院，贵州贵阳551400）摘要：首先建立了某电子设备计算模块印制电路板的三维模型，然后依据热传学理论，使用有限元分析软件ANSYS Workbench对三维模型进行了热仿真分析，最后获得了计算模块印制电路板的温度场，热分析结果为印制电路板的结构设计及布局提供了参考。
关键词：印制电路板；热仿真分析；ANSYS Workbench ；温度场0引言近年来，随着先进制造技术在电子设备生产过程中的应用，电子设备已经向便携式、集成化、高密度和高运算速度方向发展，印制电路板（PCB ）上元器件的数量和集成度不断增加，功率损失也相应增加，同时导致单位体积电子元器件的发热量增加[1]。
鉴于电子设备的高度集成性、计算快速性和运行稳定性等要求，对电子设备的热设计要求也越来越高。
相关统计数据显示，55%的电子设备失效与过高的热环境应力有关。
热问题已成为影响设备使用性能和运行可靠性的关键因素之一[2]。
PCB 作为电子设备的重要组成部分，其设计合理与否直接影响设备的性能高低，严重时甚至会损坏电子设备[2]。
因此，对PCB 上的元器件进行热仿真分析就显得十分必要。
电子设备的热分析通常分为系统级、板级及封装级3个层次。
本文研究对象为某电子设备计算模块印制电路板，属于板级热分析的范畴[3-4]。
现首先建立某电子设备计算模块印制电路板的三维模型，然后依据热传学理论，使用有限元分析软件ANSYS Workbench 对三维模型进行热仿真分析，获得计算模块印制电路板的温度场，根据热分析结果为印制电路板的结构设计及布局提供参考。
1建立印制电路板的三维模型1.1模型的简化假设实际的计算模块印制电路板是由元器件和印制电路板基板组成，为了能够进行热分析，必须对PCB 结构进行合理简化，使其成为仿真分析模型[5]。
首先，对于PCB 上外形结构小的电阻、片式电容，由于其体积小、热容量小，产生的热量对整个PCB 的温度分布影响不大，在计算时可将其忽略。
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九、热电制冷器（1.25H）
1. 热电制冷的基本原理
2. 制冷器冷端净吸热的计算
3. 最大抽吸热制冷器设计方法
4. 最佳性能系数制冷器设计方法
5. 多极制冷器的性能
6. 热电制冷器的结构设计
十、热管散热器的设计（1.25H）
1. 热管的类型及其工作原理
2. 热管的传热性能
3. 热管设计
十一、电子设备的热性能评价及改进（0.5H）
1. 评价的目的与内容
2. 热性能草测
3. 热性能检查项目
4. 热性能测量
5. 确定热性能缺陷
6. 热性能改进的制约条件
7. 改进费用与寿命周期费用的权衡
8. 热设计改进示例
十二、计算机辅助热分析技术（1.5H）
1. 计算流体动力学的工作步骤
2. 计算流体动力学的分支
3. 流体流动的基本特征
4. CFD求解过程及软件结构
5. 常用的CFD商用软件
6. 三维湍流模型
7. 边界条件的应用
8. CFD应用实例
十三、热设计实例（4H）
1. 现代电子器件冷却方法动态
2. 电子设备热分析软件应用研究
3. 典型密封式电子设备热设计
4. 功率器件热设计及散热器的优化设计
5. 表面贴装元器件的热设计
6. 某3G移动基站机柜的热仿真及优化
7. 电子设备热管散热器技术现状及进展
8. 吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热的影响
9. 实验评估热设计软件
10. IGBT大功率器件的热设计
11. 电源模块的热设计及分析
十四、自由交流及讨论（0.5H）。