Flotherm有限元熱仿真器件建模方法之集總參數(shù)法
預(yù)測(cè)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(jì)工作的中心目的。無(wú)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(guò)熱，它將工作異常甚至永久性損壞。因此的，當(dāng)你做熱仿真時(shí)，如何創(chuàng)建一個(gè)好的器件模型將是一個(gè)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(lái)定義器件、單板、散熱器、機(jī)箱、風(fēng)機(jī)等一切輸入。然后通過(guò)對(duì)N-S方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用不同的差分格式來(lái)進(jìn)行熱和流動(dòng)的計(jì)算。
為什么沒(méi)有任何關(guān)于建立器件模型的問(wèn)題呢？當(dāng)然你很想第一它，因?yàn)樗鼈兪乾F(xiàn)實(shí)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(dāng)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(dòng)手一個(gè)個(gè)建立每個(gè)部件，那將是一個(gè)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(xì)信息呢？那是因?yàn)槠骷膬?nèi)部構(gòu)造是生產(chǎn)商們的核心機(jī)密，它們最多可以給大家提供一個(gè)完整的3D物理描述。
然而對(duì)于熱設(shè)計(jì)工程師而言，器件信息的缺失對(duì)于熱仿真來(lái)說(shuō)是個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。但是，信息的缺失卻無(wú)法改變迫切的需求，因此在20年來(lái)出現(xiàn)了很多種不同的器件建模方式。
下面對(duì)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(gè)3D的熱仿真需要每一個(gè)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?cè)撊绾味x塊模型器件的導(dǎo)熱系數(shù)呢？塊模型是一種通過(guò)集中參數(shù)法來(lái)簡(jiǎn)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(lái)計(jì)算出一個(gè)等效值，賦予給塊模型。但是，對(duì)于我們熱設(shè)計(jì)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(dāng)時(shí)的器件封裝情況及熱仿真經(jīng)驗(yàn)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(jì)工程師們?cè)谠O(shè)置器件屬性的時(shí)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(shí)體塊。
對(duì)于一些列的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，我們最實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)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，www.digitalorthodoxy.com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(shí)中，一個(gè)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(huì)被要求工作在一個(gè)指定的最高結(jié)溫或殼溫下。那么我們?nèi)绾文芡ㄟ^(guò)塊模型來(lái)獲取器件的溫度分布情況呢？答案是否定的，塊模型無(wú)法準(zhǔn)確的獲得器件自身的溫度分布情況。即使你知道結(jié)的準(zhǔn)確位置也沒(méi)有用，因?yàn)槟悴恢纼?nèi)部熱流的流動(dòng)情況。因此，在使用塊模型時(shí)，你只需要把他當(dāng)做一個(gè)物性一致的發(fā)熱塊即可，它不能非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)器件自身的溫度分布，但相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)器件（無(wú)論詳細(xì)模型還是塊模型）發(fā)熱引起的系統(tǒng)熱流場(chǎng)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(kù)（TypicalLumpedPackages），在我們使用塊模型時(shí)可以根據(jù)器件的不同封裝類型來(lái)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(diǎn)，使用集中參數(shù)法并參考JEDEC標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果綜合考慮而獲得的。相對(duì)之前的兩種設(shè)置方式，其精確度有了進(jìn)一步的提高。
表1TypicalLumpedPackages庫(kù)中各種器件
然而，使用這種模型精確度究竟如何呢？實(shí)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(jiǎn)單的集中參數(shù)法的一個(gè)塊模型來(lái)代替一種封裝類型的器件，www.digitalorthodoxy.com其精度不言而喻。不過(guò)大體來(lái)說(shuō)，這種建模方式的精度在70%~~90%之間。但并不能說(shuō)這種建模方式的精度低，我們就盡量少用。實(shí)際上對(duì)熱設(shè)計(jì)工程師而言，尤其是做系統(tǒng)級(jí)仿真的工程師來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單，網(wǎng)格數(shù)比較少。
其次，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，器件模型的簡(jiǎn)化并不影響整個(gè)系統(tǒng)的熱流場(chǎng)，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們重要的設(shè)計(jì)一個(gè)良好的熱流系統(tǒng)，使系統(tǒng)中不存熱點(diǎn)、不存在回流以及整個(gè)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(shí)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(duì)一個(gè)器件來(lái)說(shuō)，這個(gè)器件只是整個(gè)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(dāng)它融入一個(gè)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(duì)誤差就會(huì)大幅度降低。就如一個(gè)裸器件的詳細(xì)模型和塊模型分別安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的自然散熱的JEDEC環(huán)境中時(shí)，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(huì)縮小，這就是因?yàn)橛绊懫渖岬囊蛩卦龃?，其自身的模型的誤差相對(duì)其他環(huán)境因素變小了。
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