电子产品热仿真规范.docx
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电子产品热仿真规范
电子产品热仿真规范
1.目的
1.1.规范我司产品热仿真建模标准。
1.2.供热传工程师在建模过程中作参考。
2.范围
2.1.本规范明确规定我司产品热仿真过程中的方法和要求，适用于我司单板级、系统级等所有产品的热仿真。
2.2.本规范适用于FLOTHERM热仿真软件。
3.定义
3.1.导热系数：
是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/（米.度），w/（m.k）
3.2.辐射：
是能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。
自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。
4.职责
4.1.热仿真负责人
4.1.1.热传工程师：
负责产品开发阶段的热仿真分析，并按模板要求输出热仿真报告。
4.2.热仿真报告审核人：
4.2.1.直接主管：
负责对热仿真报告及散热方案进行审核。
4.2.2.项目经理：
组织项目成员对热仿真报告及散热方案评审。
5.工作程序
5.1.背景
5.1.1.热仿真分析技术介绍
电子设备热仿真软件是基于计算传热学技术（NTS）和计算流体力学技术（CFD），发展电子设备散热设计辅助分析软件。
它可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案，满足产品快速开发的需要，并可以显著降低产品验证热测试的工作量。
其主要思想是：
把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如温度场、速度场、压力场等，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后计算机数值计算求解代数方程组获得场变量的近似值。
目前商业的热仿真软件种类繁多，有基于有限体积法的Flotherm、I-deas、Icepak、CFDesign、Thermal、Coolit、Betasoft，及基于有限元的Ansys等，其中Flotherm、I-deas、Icepak占据绝大部分的市场份额。
5.1.2.热仿真优点和作用
传统热设计只能根据经验类比或应用有限的换热公式进行预先评估，最终主要通过实验来交替完成整个热设计过程，其特点是结果不够精确，产品设计周期长。
和传统热设计相比，如图-1所示，热仿真技术是在产品预研和开发阶段解决热设计大方向问题，对热设计方案的可行性进行全方位的分析，同时对多种设计方案的优劣进行分析比较，并能够确定出最佳的设计方案。
热仿真技术优点如下：
1）对产品温度场作出预测，在产品设计开发时就能发现并关注热点区域；
2）降低设计、生产和重复设计、生产的费用；
3）对产品风道进行优化，最大限度的提高散热效率；
4）减少试验和测量的次数，缩短开发周期，提高产品质量。
对比内容
对设计者经验的依赖度
设计周期
热设计一次成功率
热设计方案的优化程度
效率
传统热设计方法
完全
长
低
低，裕量大
低
热仿真分析方法
强
短
高
高，裕量适中
高
图-1
5.2.热仿真分析过程
FLOTHERM通过建立基于实体的简化模型，以有限体积法划分网格单元，采用计算流体
力学和计算传热学求解技术，通过流体方程和传热方程的迭代，求解出整个模型系统
中的流场、温度场数据。
其基本步骤为：
建模→划分网格→给定边界条件及物理参数
→后处理等，如图-2所示。
图-2热仿真过程
5.3.建模
5.3.1.PCB板
PCB板的建模方法有两种，如图-3所示。
1）详细模型：
适用于单板、互连或考虑PCB板过孔、局部铜箔等优化散热情况。
需要详细建每一层CU和FR4的模型，叠加起来成为一块完整的PCB模型。
以一块厚度1.6mm的8层板为例：
8层铜，每层铜厚度1OZ，铜导热系数380W/m.k；7层FR4，每层FR4厚度一般不等，FR4导热系数0.25-0.3W/m.k。
2）简单模型：
适用于系统级仿真分析，使用FLOTHERM软件里面的PCB模型或者是各向异性导热系数的Cubiod模型。
PCB模型可以设置层数，含铜量来计算出各方向的导热系数，如图-3所示。
如果需要考虑辐射散热，PCB的发射率可设置为0.9。
图-3PCB板模型
5.3.2.散热片
散热器建模方法有两种，如图-4所示。
简单模型：
FIN部分采用流阻模型代替，主要应用于系统阻力优化等，极大地降低网格数量，提高仿真效率。
详细模型：
需要建FIN的具体模型，
图-4散热片模型
材料设置：
AL6063-T5的导热系数:
201W/m.k，CU1100的导热系数：
380W/m.k。
如果需要考虑辐射散热，散热器的发射率可设置为0.8-0.85。
在散热器设计时，需要考虑充许的尺寸大小、散热器的热阻、压降、冷却风流量等，必要时可以利用CommandCenter来优化设计。
5.3.3.热管
热管有复杂的相变过程，在FLOTHERM中无法直接建模。
在FLOTHERM中热管是用立方体建模而不是圆柱，首先需要计算相当的热管表面积。
热管截面正方形边长等于:
D为热管直径
常用热管建模方法有三种，在FLOTHERM7.1以前版本只能使用前两种方法建模。
1）：
采用各向异性材料：
轴向导热系数设置为：
15000-30000W/m.k；
径向导热系数设置为：
380W/m.k。
2）详细模型：
CuWall：
厚度等于热管壁厚，K=380w/m.k；
Vapor：
尺寸等于热管内部尺寸，K=50000w/m.k；
Wick：
压缩模型，厚度1mm，位于CuWall和Vapor之间，K=40w/m.k；
Interface：
压缩模型，位有CuWall和其他接触物体之间。
3）热管Smartpart模型
在FLOTHERM7.1以后版本的建模方法，使用起来比较方便，如图-5所示。
要求输入热管有效热阻以及最大热流量；
考虑热管与散热器的接触热阻,可以通过在热管网络立方体（NetworkCuboid）上添加Surface属性。
热管
图-5热管模型
在利用热管仿真时，应注意检查热管冷端和热端的温差△T，在正常条件下△T=3~5度比较合理，同时需要考虑热管和元件接触方式、打扁、折弯等对散热的影响。
5.3.4.风扇
我司常用的风扇有轴流风扇和离心风扇，这两种类型风扇的建模方法差别很大。
5.3.4.1.轴流风扇建模：
3D4Facets3D8Facets3D12Facets
图-6常用轴流风扇模型
在FLOTHERM仿真分析中，轴流风扇常用的模型如图-6所示，Facets越多，越接近真实的
轴流风扇，另一方面带来的是网格数量急剧增加，质量变差。
综合这两方面因素，在仿真分析时优先使用3D8Facets风扇模型。
特别需要注意：
当风扇工作点较高，出口风压较大；器件排布不规则或者是关键器件离风扇较近时，一定要选择Swirl选项，考虑风扇出口空气旋转对散热的影响，如图-7所示。
图-7风扇设置
5.3.4.2.离心风扇建模：
离心风扇的建模相对比较复杂，也比较难收敛。
在复杂系统中通常会用简化的模型来代替。
1）详细离心风扇模型:
在FLOTHERM6.1以后版本采用，需要采用RecirculationDevice进行离心风扇的建模，如图-8所示。
在RecirculationDevice模型中可以定义离心风扇的PQ曲线，不同的出口流场形式；但离心风扇进出口的形状和尺寸，需要利用Cuboid、Prism、Cylinder等模型来构建。
图-8逐步接近真实的离心风扇模型
2）简化离心风扇模型:
在很多复杂系统中，常常用简化的离心风扇模型代替详细离心风扇模型，如图-9所示。
图-9简化离心风扇模型
简化离心风扇模型，主要有三部分组成：
a:
风扇框及风扇入风口结构；
b:
2D进风风扇，流量设定：
Q=Q离，压力设定：
P=1/2P离；
c:
2D出风风扇，流量设定：
Q=Q离，压力设定：
P=1/2P离；
当系统中含离心风扇时，注意将FanRelaxation设为0.4-0.7，否则容易
发散。
在笔记本散热仿真分析，一般壳体温度最高值会出现在离心风扇和热
交换器区域，这时需要考虑风扇的功耗对C、D表面温度的影响。
5.3.5.CPU
CPU的结构相当复杂，要想获得准确的仿真结果，既要了解CPU散热结构，又必
须对其进行合理的简化。
以MeromCPU为例，简化后的主要组成如图-10所示，
不同型号的CPU，大同小异，与散热相关的组成、材质差异不大，区别在于Die
的尺寸，热源的尺寸、大小及位置、分布。
在很多情况下，热源的热量不是均匀
分布且差异很大时，需要细化热源，因为局部热源密度会影响TjMax，从而影响
我们仿真结果的准确性。
图-10MeromCPU主要构成
CPUFLOTHERM模型的尺寸及材料属性，建模时可以作为参考。
在FLOTHERM仿真
分析中，关键是定义与散热相关的各组成的尺寸、材料属性等。
MeromCPU仿真模型尺寸及材料属性
Element
FlothermModeling
DimensionsX,Y,Z（mm）
ThermalAttributes
Kx,y,z（W/m.k）
Die
Block
13.8×10.5×0.79
K=120,120,120
Source
PlanarSource
6.4×8
C4-dieattach
Block（planar）
13.8×10.5×0.079
K=0.22,0.27,12.6
Substrate
Block
35×35×1.178
K=81.2,81.2,0.88
Socket+pins（forPGA）
Block
35×35×2.47
K=0.38,0.38,0.98
BGA
Block
35×35×0.66
K=0.04,0.04,8.2
Airblock（notshown）
Block
19×19×3.13
K=0.026,0.026,0.026
5.3.6.北桥
北桥芯片和CPU芯片类似，主要组成和材料属性相差不大；以常用北桥芯片3100
为例，如图-11所示，具体尺寸和材料属性如下表所示。
图-11北桥芯片3100主要构成
北桥3100仿真模型尺寸及材料属性:
Element
FlothermModeling
DimensionsX,Y,Z（mm）
ThermalAttributes
Kx,y,z（W/m.k）
Die
Block
10.8×13.87×0.64
K=120,120,120
Source
PlanarSource
10.8×13.87
C4-dieattach
Block（planar）
10.8×13.87×0.1
K=0.244,0.244,10.4
Substrate
Block
40×40×1.33
K=63.7,63.7,0.84
BGA
Block
40×40×0.53
K=0.04,0.04,8.24
5.3.7.内存
内存条结构也是相当复杂，有直插、斜插、平插各种类型，主要包括内存颗粒、
PCB板、内存连接器组成，如图-12所示。
建模时，内存颗粒采用双热阻模型，
常用小内存颗粒尺寸12.4×11.9×1.0，Rjc=3，Rjb=21，内存颗粒的平均功
耗0.2-0.3W。
内存PCB的导热系数平面方向为32W/m.k，垂直方向为
0.33W/m.k，中间部分连接器，长度方向导热系数为0.1W/m.k，其他两个方向
导热系数8W/m.k，两侧连接器，长度方向导热系数为0.1W/m.k，他两个方向
导热系数3.5W/m.k。
图-12内存条的主要组成和FLOTHERM模型
5.3.8.导热膏/垫
导热膏、导热垫是用来降低散热器和芯片之间的接触热阻，但本身也有热阻，在仿真分析中需要考虑，特别是在Die较小，功耗高的情况。
导热膏建模时，可采用CollapseCuboid模型，但需注意不能被散热器等其他物体覆盖，目前我司常用导热膏的导热系数在2~6W/m.k。
如果在建模中没有考虑导热膏、导热垫，可根据公式
△T=Qσ/Aλ，其中△T表示导热膏、导热垫的温差，Q表示芯片功耗，A表示导热膏、导热垫填充面积，σ
表示导热膏、导热垫厚度，
λ表示导热膏、导热垫的导热系数。
计算导热膏、导热垫的温差，修正计算结果。
5.3.9.多孔板、流阻
多孔板和流阻模型在整机或系统仿真中经常会用到，这两个模型会影响到系
统的阻力、风量、风压，直接影响仿真结果的准确性。
如果进出风口、风扇隔层的通孔比较规则，可以采用多孔板模型，该相对比
较简单，只要选择开孔的类型、孔间距，FLOTHERM会自动计算出开孔率和压
力损失。
流阻分为平面流阻和体流阻，平面流阻主要用于无规则形状或网状等进出风
口，体流阻主要用于防尘网等需要考虑厚度的流动阻力，或者用于散热器、源模
块内部的阻力设定。
在流体流动速度方面带有一点角度时，尽量使用体积阻尼。
5.3.10.壳体
整机仿真分析中，机壳的建模也是非常关键的，壳体常用的材料有普通刚、塑
料、铝、镁铝合金等，它们导热系数分别为40W/m.k、0.2~0.25W/m.k、280W/m.k、
71W/m.k。
在强制对流系统内，通过壳体散走的热量可以忽略不及，不需要考
虑辐射模型，壳体可以建成没有壁厚模型，可以减少计算网格。
在自然对流或
密闭整机系统中，或者是特别需要关注壳体表面温度时，必须考虑壳体的厚度，
Collaspsed及Thin壳体模型，不能参与辐射计算。
5.3.11.其他
其他一些常用模型包括HDD、CD、DVD、电池等，在系统中占有的空间比
较大，但相对功耗较小。
这些模型材料属性、热源位置、大小都很难确认，在
仿真分析中，应从供应商获得相关资料，按着资料来建模，如果没有任何资料，
可以参考以下简化模型。
HDD、CD、DVD导热系数10W/m.k，发射率0.8，仿
真时CD、DVD可以不设定功耗，小硬盘的功耗2W左右，大硬盘功耗在10W
以内，因为这些设备测试时都不会满负载运行。
电池导热系数10W/m.k，发射
率0.9，功耗1.5W。
实际上，一个系统中除了CPU、南北桥芯片、内存等大功耗期间外，还会
有许多小功耗器件，比如电感、电阻、晶振等，仿真时这部分器件不可能一一
建模，但需要把这部分器件的功耗均布到PCB板上，保证系统功耗的准确，如
图-13所示。
图-13小功耗器件处理原则
5.4.常用材料的导热系数
材料名称
导热系数λ（W/m.k）
材料名称
导热系数λ（W/m.k）
红铜
380
Si
117.5
黄铜
70～183
SiO2
7.6
AL-6063
201
PVC
0.17
铸铝
138～147
陶瓷
30
铁
63
玻璃
0.5~1
铸铁
42～90
环氧树脂
0.2~2.2
不锈钢
17
PC
0.2
锡
67
ABS
0.25
铅
34.8
水
0.54
FR4
0.3~0.4
空气
2.873×10-3
5.5.求解域
在热仿真分析过程中，求解域的设定十分重要。
求解域过大，势必增加网格数量，延
长计算时间；求解域过小，会忽略外围因素的影响，造成很大的计算误差。
一般情况
下，强制对流可以不放大求解域，但在下列场合必须放大求解域：
----自然对流换热系统
----封闭系统
----外部边界条件对内部影响较大的情况
X
X
图-14自然对流散热系统求解域放大原则
图-15笔记本求解域放大原则
其中，在自然对流系统中，当重力方向和水平方向尺寸差别不大时，重力反方向放
大2倍；除重力方向外，其余方向各放大一倍。
如图15所示。
当外部边界条件影响
较大时，也要适当的放大求解区域。
例如，带离心风扇笔记本仿真分析时，强制对
流比较弱，同时要考虑外部空气对壳体温度的影响，水平各方向需放大10%，由于
重力反方向放大5倍，如图-15所示。
5.6.网格划分
网格划分，是热仿真过程中最耗费时间也是最烦琐的事情。
为了获得准确的仿真结
果，网格划分时必须遵循以下规范：
1）系统网格划分思路：
建立几何模型后，打开SystemGrid控制栏，软件自带四种网格“None,Coarse,
Medium,Fine”，点击选择None型；在GridSummary中，检查细小网格（三个不
同方向）所在位置，通过调整物体尺寸消除较小单元，提高最小网格单元数量级；
针对不同区域，采用局域化网格。
在网格单元控制参数中，建议采用控制最大单元
尺寸选项。
调整系统网格，通过控制Maxsize和Smooth来使系统网格长宽比控制在
最佳范围内。
2）系统网格质量要求：
简单模型最大网格长宽比要控制在20以内，复杂模型最大网格长宽比要控制在40
以内。
网格划分时，要注意采用Smoothing工具，尽量避免大尺寸网格到小尺寸网
格的直接过渡。
网格质量的好坏，直接影响到收敛的精度。
3）散热器网格划分原则：
高度方向：
考虑散热器底座的扩散热阻，应至少在散热器底座上划分2层网格，肋
片高度方向3~4层网格一般就足够；肋片间网格：
需要3层网格才能考虑边界层作
用影响，能较好的模拟温度性能，但如果要准确计算散热器的流阻，需要4~5层网
格。
肋片厚度网格：
一般一层网格就可以。
4）关键器件网格划分原则：
仿真中，为了保证关键器件的仿真精度，必须保证足够的网格数量来保证计算精度。
特别是热流密度大的芯片，要特别注意芯片的网格划分，一般情况下应在各个方向
保持3~5个以上的网格，必要时需对元件添加局部网格约束。
芯片的热流密度越大，
芯片对应的网格数量应越多，否则会产生较大的误差。
在CPU建模中，Die厚度方
向至少要保证3层以上网格，Die长度和宽度方向至少应有5个以上网格。
例如：
在单板中共有3个该元件，其中，A1和A3功耗为0.35W，A2的功耗为0.25W，
自然散热。
不加网格约束时，由于各元件较小，软件默认只在x方向划分了一个网
格，在Y方向也只有3个网格；对各元件施加了至少划分5个网格的约束，并在
其膨胀尺寸为10%的范围内施加最少2个网格的约束，如图-16所示。
A1
图-16关键器件网格划分方法
未增加约束和增加约束仿真结果对比：
元件
A1
A2
A3
未加网格约束
89.6
82.7
93.1
施加网格约束后
80.8
76.4
85.6
加网格约束和增加网格约束后的结果对比如上表所示：
A1、A3功耗0.35W，对
器件网格约束前后温差分别为8.8、7.5°C；A2功耗0.25W，对器件网格约束前
后温差6.3°C，可见功耗大的器件如果不注意网格精度，会引起很大的计算误差。
5）灵活应用局域化网格：
网格划分时，如果要捕抓小的特征尺寸，保证网格精度，就会极大的增加网格数量，
同时会引起局部区域网格质量很差，必须灵活应用局域化网格来改善网格质量，减
少网格数量，但需要注意局域化网格的特点：
局域化网格之间可以嵌套，可以紧邻，
但不可以重叠，包括膨胀区，如图-17所示。
图-17局域化网格划分方法
系统网格原则：
在速度、温度、压力梯度大的地方，网格要足够精细。
比如风扇入
口、系统进出口区域；温度梯度大的区域主要集中在PCB板、CPUDie等热量比较
集中或这是导热系数很小的区域。
其他一些区域，比如HD、DVD、CD、电池等区
域，可以使用比较粗糙的网格。
5.7.监控点或监控区域设置
1）监控点设置：
在仿真分析中，需要实时监控某些点的温度、压力、速度的变化，特别是关键器件
的Tc、Tj值，比如LED芯片Tc、Tj值，热管的Thp、Thx等。
一方面可以协
助判断计算是否收敛，一方面可以随时监控计算结果是否合理，如果发现不合理的
温度点，可以立刻停下来检查模型，而不是等到计算完成后才发现问题，可以提高
效率。
2）监控区域设置：
在某些情况下，如果需要统计流经散热器区域的流量，或者是不同槽位的风量，往
往需要在散热器的入风口和各槽位入口建立压缩的Region模型，用于统计我们关注
区域的流量，从而判定系统流量分配是否合理？
5.8.收敛判定
5.8.1.收敛判定：
计算完成后，如何判断仿真结果是否收敛、可靠，可以从以下几个方面判定：
FLOTHERM软件默认的收敛标准：
每个变量的残差值达到1，所设监控走平，可
以认为已收敛，软件默认的终止标准值在大多数产品分析中，安全余量相对可靠，
不需要更改。
在一些复杂的系统，如果部分或全部变量的残差值在10以下震荡或稳定，所设监
控点走平，也可以认为计算收敛。
5.8.2.收敛常见问题及解决：
计算稳定后，如果出现发散、残差值在10以上震荡或稳定、监控点震荡等情况，
需要终止计算进行模型调整，步骤如下：
1）检查：
复查SanityCheck结果；复查建模过程，是否单位错误？
是否材料设置有问题？
是否有荒谬的类似热源？
重要物体模型是否被覆盖？
复查是否有网格不足点，散
热片区域网格是否能精细到足以捕抓散热鳍片？
网格是否足够描述物理现象?
2）确认问题点：
采用DeactivateObjects/Assemblies用于隔离问题点，如果Deactivate某物体
以后，能改善收敛结果，很可能问题就出现在该物体上；
打开结果中保存的StoreErrorField数据，确认最大最小残差值位置，同时打
开网格显示来判断问题是否与网格有关联；逐一改进每一问题点，同时可以调整
松驰因子来改进高位稳定或震荡非收敛问题。
仿真结果是否可靠，除了仿真的残差值要达到收敛要求，更多时候我们还需
要从计算的结果去判定，比如进出系统空气质量是否守恒？
系统总散热量是否等
于空气带走的热量加上传导和辐射带走的热量，关键器件总的热量是否等于对
流、传导、辐射带走的热量等等。
高低温震荡、稳定问题，在系统仿真分析中经常问遇到，是一个相对比较难
解决的问题，大部分原因都是局部网格是否细化到能捕抓物理现象，温度、速度、
压力梯度大的区域要抵挡加密网格，需要在仿真过程中不断的去尝试、总结。
5.9.后处理
当仿真分析获得满意的收敛结果，首先需要从以下几个方面验证结果是否可靠。
质量守恒：
=
，系统进出口风量是否相等。
总能量守恒：
，系统能量是否守恒。
关键器件能量守恒：
，通过器件顶部、底部、侧面传导、
对流、辐射散走的热量是否与器件总功耗相等。
在后处理过程中，我们除了关注关键器件的Tj、Tc是否满足器件使用要求外，更
多时候我们需要关注以下结果，评价单板、系统散热是否合理。
系统阻力、风扇工作点是否合理，在仿真结果的风扇工作点，所提供的流量是否
能满足
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