Flotherm在实际问题中的应用

在热校模工作的帮助下，Flotherm软件可以比较准确地仿真模拟电子设备的温度分布，误差值在5℃以内。应用软件Flotherm解决某型设备元器件过热问题，从添加散热板和在结构件上开散热孔两方面分析散热改善效果，发现添加散热板散热改善幅度达到2.8℃～10.5℃，在结构上开散热孔散热效果改善幅度达到3.0℃～3.3℃，两者若同时考虑则散热效果最佳，改善幅度达到5.8℃～12.5℃；不同热导率的绝缘导热垫散热效果差异在0.1℃～0.5℃；铝合金散热板和铜合金散热板散热效果差异在0.7℃～1.3℃。

【关键词】Flotherm 热仿真 热校模工作

电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究资料表明：半导体元件的温度升高10℃，可靠性降低50%，当元器件在很高的温度下工作时，其失效率按指数关系增长。因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的散热措施来有效地解决这个问题则是关键。Flotherm软件仿真法避免了传统方法中因经验不足、数据不充分所导致的误差以及繁琐的解析计算过程。这种方法基于质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，利用成熟的数值计算方法，能够得到与实际非常接近的结果，有效地反映电子设备的温度分布。

公司某型设备因某些元器件过热引发故障，通过应用Flotherm软件对该产品进行热仿真，计算多种方案，寻找最优方案，解决元器件过热问题。

1 物理模型

设备结构如图1所示。

2 分析模型的建立

2.1 模块模型热校模

根据收集的设计信息，建立计算机板模型（如图2所示）。为节省计算成本，元器件简化成长方体，并以设置热阻（结-板热阻和结-壳热阻）形式替代元器件的封装模型。图2中的A、B、C和D四个芯片为前期确认的过热元器件。

由于元器件的热阻由其封装设计和焊盘大小决定，当元器件焊接到印制板时，它的热阻参数也已确定，因此可以单独对某个模块进行热校模工作。本文的热校模方法：首先，将模块2运行到正常工作状态，持续时间为1小时；然后，使用红外测温仪对模块2进行拍照，捕捉模块2的各个元器件的温度值；最后，通过对元器件的热耗和热阻进行调整，使分析模型的热分布与测试结果相近（相差在5℃之内），如表1所示。

2.2 产品分析模型

对结构件的圆角、小台阶、小孔等特征进行适当简化，并将校模后的模块模型装配到结构件上，完成产品的分析模型建立。

3 改进措施

考虑到成本问题，本文在不改变产品的布局和各模块的元器件布局的条件下，从添加散热板和结构件开散热孔两个方面对产品进行改进尝试。

3.1 添加散热板

给模块2添加散热板，如图3所示。因空间有限，暂不考虑散热翅片，从散热板材料和导热垫材料两方面考虑。

3.1.1 散热板材料的影响

散热板材料用的比较多的是铝合金和铜合金。通过应用Flotherm仿真计算得出选用不同散热板材料时模块2过热元器件的温度分布。添加散热板后元器件的壳温降低幅度较大，幅度达到2.8℃～10.5℃，元器件的壳温都低于其额定工作最高环境温度值；选用不同散热板材料时的元器件壳温差异在0.7℃～1.3℃，铜合金散热板偏优。

3.1.2 导热垫的影响

为了提高元器件和散热板之间的导热性能，一般都会在两者之间添加绝缘导热垫。绝缘导热垫的热阻取决于它的类型和厚度，公式如下：

Rkc=

式中：Rkc为绝缘导热垫热阻（℃/W）；S为有效接触面积（m2）；δ为绝缘导热垫厚度（m）；K 为绝缘导热垫的热导率（W/m·℃）。由公式可以看出，绝缘导热垫厚度越小，热导率越高，其热阻就越小。

考虑到芯片的高度公差，导热垫厚度选取为1mm。导热垫型号选取公司内导热率较高的两种导热垫，其材料的导热性能参数如表2所示。

当散热板材料选择铝合金时，通过应用Flotherm仿真计算得出选用不同热导率的绝缘导热垫时模块2过热元器件的温度分布。选用不同导热垫时的元器件壳温差异在0.1℃～0.5℃，选用导热垫Ⅱ时偏优，但差异不大。

3.2 结构件开散热孔

在结构件上开散热孔，有利于机箱内部热空气与外部冷空气的交换，从而增加模块的散热效率。散热孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风孔应开在机箱侧上端接近顶板处，以形成烟囱效应。开孔方案如图4所示。

在添加铝合金散热板，导热垫选用导热垫Ⅰ的条件下，通过应用Flotherm仿真计算得到结构件开孔对模块2过热元器件温度的影响。结构件开孔时模块2过热元器件温度比结构件不开孔时低3.0℃～3.3℃；当同时给过热元器件添加散热板和在结构上开散热孔时，散热改善效果最佳，改善幅度达到5.8℃～12.5℃。

4 结论

本文应用Flotherm软件仿真计算，解决某型设备产品过热问题，通过比较不同散热方案，对各种影响因素进行分析计算，发现：

（1）通过完成热校模工作，Flotherm软件仿真可以得到与实际非常接近的结果，误差在5℃以内，给热设计工程师提供详实准确的数据支撑材料；

（2）给过热元器件添加散热板后，元器件的壳温降低幅度达到2.8℃～10.5℃；在结构件上打散热孔，元器件的壳温降低幅度达到3.0℃～3.3℃；不同热导率的绝缘导热垫散热效果差异在0.1℃～0.5℃；铝合金散热板和铜合金散热板散热效果差异在0.7℃～1.3℃。

（3）通过仿真分析发现，同时考虑给过热元器件添加散热板和在结构件上开散热孔两项措施散热改善效果最佳，改善幅度达到5.8℃～12.5℃，解决产品元器件过热问题。

参考文献

[1]李波，李科群，俞丹海.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程，2008，24（3）：11-13.

[2]余建祖.电子设备热设计及分析技术[D].北京：北京航空航天大学，2000.

作者简介

蔡军（1986-），男，江苏省江都市人。现为苏州长风航空电子有限公司工程师。研究方向为电子产品仿真计算分析。

作者单位

苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215000