图2.9 芯片座几何形状
图2.10 芯片座简化设计
2.6.2 导线架(lead frame)简化设计
LQFP208 型式的导线架脚数间的距离较小且为密集，故省略其导线架上接脚
间的距离。在导线架的热传导为连续情况下，可作下图2.11 和图2.12 简化，以避
免增加建立几何模型的困难度。内脚导线架简化成板状设计，而外脚导线架简化
是将外脚导线架Z 字型简化为L 字型，简化如下图2.13 所示：
图2.11 导线架简化设计
图2.12 内脚导线架简化设计
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第三章 理论介绍
本章说明研究所应用之基本理论，包含热的传递方式、热阻的定义、热对流
系数的决定、CFD 应用理论与模流基本理论。
3.1 热传分析基础理论
热的传递方式依介质的不同可分为传导、对流及辐射三种。此三种热传现象
可同时或个别存在介质间做热的传递，本研究不考虑热辐射现象。
3.1.1 热传导理论
当一物体内有温度梯度(temperature gradient)存在时，表示能量将会从高温传
至低温。此种能量的传递方式称之为传导(conduction)，且每单位面积之热传导速率
（heat transfer rate）和法线温度梯度(normal temperature gradient)成正比：
c h ：对流热传递系数（convection heat-transfer coefficient）
图3.3 热对流表面在层流下温度与速度分布图
由上式可知c h 值对于热传递效率有相当大的影响，有些系统的h 值可用解析法计算求得，但较复杂的情况就必须由实验来做决定，对流热传递系数有时亦称为薄膜导率(film conductance)，原因为它与壁面流体静止层的传导过程有关。
第四章 CFD 结果与讨论
4.1 介绍分析元素
Fluid 142 (3D Fluid-Thermal Element)元素可以使用在流场和热场中，其分析的区域可包括流场区和非流场区，也能计算出分析区域的流场和温度分布情况，此外也是瞬时或稳态流场系统流体分析时所使用，如下图4.1 所示：
图4.1 Fluid 142 3D Fluid-Thermal Element
热场分析固体模型时使用Solid 70 (3D Thermal Element)，Solid 70 元素有三维热传导功能，每一个元素具有八个节点，而每一个节点都具有单一温度的自由度，也能够应用到三维稳态或瞬时的热分析。如下图4.2 所示
图4.2 Solid70 3D Thermal Solid Element
4.2 热场与流场分析结果
FEM 热场分析程序
前处理 (Pre-processor)
1.选定适当分析元素：选用ANSYS(3D) element-Solid70。
2.建立几何分析模型：建立对衬分析模型。
3.定义材料性质：定义各材料之热传导系数(thermal conductivity)。
4.建立分析网格：建立适当的网格大小(mesh size)。
求解 (Solution)
5.定义边界条件：设定大气温度为25 °C 。
设定与空气接触面积之热对流系数(此值由热对流经验公式
所得)。
6.定义负荷条件：设定芯片发热功率。
7.求解
后处理 (Post-processor)
8.显示结果：温度场分布情形。
9.编缉结果和资料：
CFD 流场热分析程序
前处理 (Pre-processor)：
1.选定适当分析元素：选用ANSYS(3D) element-Fluid142。
2.建立几何分析模型：建立对称分析模型。
3.定义材料性质：定义各材料之热传导系数(thermal conductivity)、比热(specific heat)和密度(density)。
4.建立分析网格：建立适当的网格大小(mesh size)。
求解 (Solution)
5.定义边界条件：设定风洞温度为20 °C 。
风洞周围为墙壁(walls)：设定此面积三方向的速度皆为零。
风速进入处(inflow)：设定风速与实验条件相同。
风速出口处(outflow)：设定出口压力与实验条件相同。
对称面(symmetry)：设定对称面的法线方向的速度为零。
6.定义负荷条件：设定芯片发热功率。
7.求解
后处理 (Post-processor)
8.显示结果：温度场与流场分布情形。
9.编缉结果和资料
前处理建立网格时，由于在胶体中内脚导线架的细长比极大，网格(三角网格)需做个别的控制，避免单一元素体积产生太多的锐角和单一体积产生太多的元素数目，导致不良元素产生及计算机运算时间过长。建议将分析模型作适当的简化，透过适当的等分再利用四方形元素规划网格，如此可效地控制分析元素数目，并且可避免上述问题。
4.2.1 网格大小分布
在边界层内，分子混乱运动及流体的整体连动造成对流热传递，靠近界面处速度较小，能量传递主要靠分子的混乱运动(扩散)，事实上，在流体及界面的接触面(y=0)，流体速度为零，扩散则为能量传递的唯一方式，沿着x 方向边界层逐渐成长，流体整体运动的能量传递方式渐渐显得重要。边界层的现象对于热对流的研究非常重要，其图4.3 为平板之边界层示意图，所以在作网格分割时，在边界层需细分之。
图4.3 平板之边界层示意图
平板之自然对流范例
根据Gordon N. Ellison[31] 所著”THERMAL COMPUTATIONS FOR ELECTRONIC EQUIPMENT”的书中；在自然对流下，小面积平板的热对流分布情况。Ellison 提出当平板上表面温度高于空气温度，并且造成热对流方向为向上时(图4.4)，适用于小面积平板各点的热对流系数公式4.1，此公式的单位为watt/ in2，经过单位转换为watt/m2 如公式4.2 所示。
ti:第ｉ层厚度(m) ki:第ｉ层热传导系数（W/moC）kxx、kyy:In-plane 热传导系数 kzz:厚度方向热传导系数图4.5 TSOP50 三角网格示意图
图4.5 为TSOP50 FEM 热场分析模型建立，利用IGES 格式将其电子构装之内脚图传入ANSYS 软件中，即可快速地建出三维1/2 分析模型，其结构位置和三角网格示意图。在此PCB 板的热传导性质是利用公式(4.7)(4.8)等效性质计算出来，以减少建立模型所花费时间。FEM 热场分析时，TSOP50 表面与空气的热对流系数是采用QFP 热对流经验公式3.11 和3.12；并非采用SOP 之热对流经验公式，其原因为是SOP 之热对流经验公式并无明确说明适用于自然对流或强迫对流情况，而且在业界并不采用此计算方式，因此以QFP 热对流经验公式代替之。CFD 流场-热分析时，并不需要设定电子构装体表面与空气的热对流系数，只需设定实验风洞边界条件即可；由公式(4.5)(4.6)计算出出其热边界厚度约为0.17mm，并在此范围内作网格细分。
以下则列出相同功率下实验之最高温度与热阻值、相同功率下FEM 热场模拟之最高温度与热阻值和相同功率下CFD 流场-热场仿真之最高温度与热阻值，其热阻值计算可参考公式3.14，并且列出模拟热阻值与实验热阻值的误差量。下图4.6是TSOP50 热场分析结果(1.04W)，由图可知构装体中心位置为温度最高处其温度，随着远离中心温度呈递减现象，同样在印刷电路板方面亦有相同的递减效果。
自然对流下，功率与最高温的关系：
实验值自然对流(natural convection)
功率 芯片温度°C 外界温度°C 热阻值°C/W
0.316w 69.2 31.6 120.2532
0.485w 83.8 32.2 106.3918
0.773w 112.2 30.8 105.3040
1.040w 135.0 30.4 100.5769
1.319w 161.8 30.4 99.6209
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