使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理 高级培训教程
目录
1 导热 7 使用Flotherm仿真中物理学原理1_导热
1.1 傅里叶定律 7
1.2 材料的热导率、比热和密度 7
1.2.1 Flomerics 标准材料库 8
1.2.2 铝合金 8
1.2.3 不锈钢 10
1.2.4 硅（Si） 11
1.2.5 热导率随温度变化的纯金属 11
1.2.6 氧化铝 14
1.2.7 III-V半导体材料的热导率 16
1.2.8 电子封装行业常用合金热导率 16
1.2.9 电子封装材料 17
1.2.10 复合材料 18
1.2.11 焊料 18
1.2.12 引线框架材料（Lead Frame Material） 18
1.2.13 Al2O3 和 LTCC材料 19
1.2.14 陶瓷基底 19
1.2.15 聚硅氧烷（Silicone）和橡胶 19
1.2.16 导热电绝缘体 20
1.2.17 导热衬垫（Thermal Pad） 20
1.2.18 非晶聚合物（Amorphous polymeres） 21
1.2.19 纯晶体聚合物（Non-amorphous polymers without inclusions） 21
1.2.20 强化热导率的塑料（Plastics with enhanced conductivity） 21
1.2.21 10000 W/m K 22
1.2.22 其它材料数据来源 22
1.3 热阻 22
1.3.1 理想接触 25
1.3.2 接触热阻和相应数据 25
1.3.3 导热界面材料 27
1.3.4 使用Flotherm中的Cuboid模拟接触热阻 29
1.3.5 Flotherm中模拟接触热阻的另一类方法：通过表面特性 30
1.3.6 Rsurf-solid的重叠 31
1.3.7 Solid-Fluid 热阻 31
2 对流热交换 33 使用Flotherm仿真中物理学原理2_对流热交换
2.1 牛顿冷却定律和对流热阻33
2.2 Nusselt数和平板对流 34
2.2.1 强迫对流 34
2.2.2 平板层流换热 34
2.2.3 平板湍流换热 34
2.2.4 自然对流层流状态下的平板换热 35
2.2.5 自然对流湍流状态下的平板换热 36
2.2.6 自然对流情况下的流动状态 36
2.3 管内流动36
2.3.1 管内强迫对流 37
2.3.2 管内自然对流 38
2.4 纳维－斯托克斯、伯努力、连续性方程 38
2.4.1 纳维－斯托克斯方程 38
2.4.2 伯努力方程 39
2.4.3 连续方程 39
2.5 流体数据40
2.5.1 Flotherm 中空气数据 40
2.5.2 湿空气 40
2.5.3 干空气 41
2.5.4 状态方程 43
2.5.5 水 43
2.6 用户自定义热交换系数 44
2.7 湍流 44
2.7.1 层流 44
2.7.2 标准湍流模型 44
2.7.3 模型 44
3 辐射 45 使用Flotherm仿真中物理学原理3_辐射
3.1 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 45
3.2 辐射率数据 46
3.3 物体辐射49
3.3.1 物体和遮挡物体 49
3.3.2 打孔板和阻尼辐射 50
3.3.3 辐射和对称面 51
3.4 耦合热交换 51
4 环境条件 53 使用Flotherm仿真中物理学原理4_环境条件
4.1 标准室内环境 53
4.1.1 [Model/Global] 53
4.1.2 System->Ambients 53
4.1.3 对称面和辐射 53
4.2 户外条件54
4.2.1 太阳辐射 54
4.2.2 对于太阳辐射的材料数据 55
4.2.3 天空温度 55
4.2.4 寒风 56
4.3 高海拔设置：室内和室外57
4.4 真空状态下的电子设备 57
5 其它物理学方面 58 使用Flotherm仿真中物理学原理5_其它物理学方面
5.1 瞬态时间常数 58
5.2 水和空气两股流体 59
5.2.1 求解设置 59
5.2.2 管子的模拟 59
5.2.3 Cutous的模拟 59
5.3 粗糙度和壁面摩擦 61
5.3.1 层流（关于自然对流） 61
5.3.2 湍流流动 61
6 PCB板仿真 63 使用Flotherm仿真中物理学原理6_PCB热仿真
6.1 非导热板63
6.2 导热PCB板 63
6.2.1 初级精度仿真 63
6.2.2 中级精度仿真:一个非等向热导率块 63
6.2.3 高精度仿真：三层板建模 64
6.2.4 中级精度和高级精度相结合 65
6.2.5 详细仿真N层板 66
6.2.6 含铜量对热导率的影响 66
6.2.7 ＥCAD-Board精度模型 67
6.3 辐射 68
6.4 热过孔 68
6.5 Traces的载流量（焦耳加热） 69
6.5.1 IPC-2221 69
6.5.2 IPC-2221中的错误 72
7 元件和元件仿真 74 使用Flotherm仿真中物理学原理7_元件和元件仿真
7.1 散热方式和热阻 74
7.2 封装热阻75
7.2.1 LSI 75
7.2.2 Infineon 76
7.3 分立封装77
7.3.1 晶体管 77
7.4 封装仿真FLOPACK 79
7.4.1 初级精度：块（Lumped）元件 79
7.4.2 中级仿真：双热阻模型 81
7.4.3 高级精度：DELPHI模型 81
7.4.4 General networks热阻模型 83
7.4.5 详细模型 85
7.5 LED仿真86
7.5.1 Osram 86
7.5.2 Avago 89
8 打孔板处压降 90 使用Flotherm仿真中物理学原理8_打孔板处压降
8.1 自动设置90
8.1.1 Idelchik’s 数据 90
8.1.2 Straighten 流动选项 93
8.2 实验测试94
8.3 数值测试96
8.4 阻尼元件生成 99
8.5 固定压降99
8.6 阀门系数 和 之间的关系 99
8.7 使用固定流和风机进行测试 100
8.7.1 重叠阻力 100
8.7.2 使用固定流测量孔的阻力损失 101
8.7.3 使用固定流测量2D阻尼的压降 101
8.7.4 使用一个有Hub和Swirl气流风扇测量阻尼的压力损失 101
8.7.5 没有Hub的2D风扇 102
9 风扇 103 使用Flotherm仿真中物理学原理9_风扇
9.1 风扇类型介绍 103
9.1.1 轴流风扇 103
9.1.2 离心风扇 103
9.1.3 混流式风扇 103
9.2 风机特性曲线和工作点 103
9.2.1 无遮挡风扇 103
9.2.2 受遮挡风扇 104
9.3 噪音特性104
9.4 风扇热功耗的估计 105
9.4.1 简单的热平衡 105
9.4.2 效率曲线 106
9.5 Swirl 106
9.6 风扇气流短路 106
9.7 旁通 107
9.8 死区 107
9.9 离心风扇107
9.9.1 RL90-18/24 108
9.9.2 RLF100-11/2 108
9.9.3 RG125 – 19/12 N 109
9.9.4 通过Flotherm网页建立离心风机 109
10 散热器 111 使用Flotherm仿真中物理学原理10_散热器
10.1 散热器各个方面 111
10.1.1 翅片高度 111
10.1.2 自然对流情况下翅片优化 112
10.1.3 强迫对流情况下散热器 112
10.2 Flotherm中散热器建模 113
10.2.1 详细散热器模型 113
10.2.2 简化散热器模型 113
10.2.3 风扇＋散热器 113
10.3 小型散热器实验研究 114
11 机箱 115 使用Flotherm仿真中物理学原理11_14
11.1 开放式机箱 115
11.1.1 能量平衡 115
11.1.2 入口阻尼 116
11.2 封闭机箱118
11.3 机箱材料和颜色 118
11.4 模型实验测量 119
12 芯片热功耗趋势 122
13 附录 123
13.1 Electronics Cooling Magazine Technical Data123
13.2 螺钉应力和扭矩 124
14 封装术语 125
15 风扇 130 使用Flotherm仿真中物理学原理9_风扇
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