使用Flotherm進行電子散熱仿真過程中涉及的物理學原理 高級培訓教程 

目錄
1 導熱 7   使用Flotherm仿真中物理學原理1_導熱
1.1 傅里葉定律 7
1.2 材料的熱導率、比熱和密度 7
1.2.1 Flomerics 標準材料庫 8
1.2.2 鋁合金 8
1.2.3 不銹鋼 10
1.2.4 硅（Si） 11
1.2.5 熱導率隨溫度變化的純金屬 11
1.2.6 氧化鋁 14
1.2.7 III-V半導體材料的熱導率 16
1.2.8 電子封裝行業常用合金熱導率 16
1.2.9 電子封裝材料 17
1.2.10 復合材料 18
1.2.11 焊料 18
1.2.12 引線框架材料（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）和橡膠 19
1.2.16 導熱電絕緣體 20
1.2.17 導熱襯墊（Thermal Pad） 20
1.2.18 非晶聚合物（Amorphous polymeres） 21
1.2.19 純晶體聚合物（Non-amorphous polymers without inclusions） 21
1.2.20 強化熱導率的塑料（Plastics with enhanced conductivity） 21
1.2.21 10000 W/m K 22
1.2.22 其它材料數據來源 22
1.3 熱阻 22
1.3.1 理想接觸 25
1.3.2 接觸熱阻和相應數據 25
1.3.3 導熱界面材料 27
1.3.4 使用Flotherm中的Cuboid模擬接觸熱阻 29
1.3.5 Flotherm中模擬接觸熱阻的另一類方法：通過表面特性 30
1.3.6 Rsurf-solid的重疊 31
1.3.7 Solid-Fluid 熱阻 31
2 對流熱交換 33   使用Flotherm仿真中物理學原理2_對流熱交換
2.1 牛頓冷卻定律和對流熱阻33
2.2 Nusselt數和平板對流 34
2.2.1 強迫對流 34
2.2.2 平板層流換熱 34
2.2.3 平板湍流換熱 34
2.2.4 自然對流層流狀態下的平板換熱 35
2.2.5 自然對流湍流狀態下的平板換熱 36
2.2.6 自然對流情況下的流動狀態 36
2.3 管內流動36
2.3.1 管內強迫對流 37
2.3.2 管內自然對流 38
2.4 納維－斯托克斯、伯努力、連續性方程 38
2.4.1 納維－斯托克斯方程 38
2.4.2 伯努力方程 39
2.4.3 連續方程 39
2.5 流體數據40
2.5.1 Flotherm 中空氣數據 40
2.5.2 濕空氣 40
2.5.3 干空氣 41
2.5.4 狀態方程 43
2.5.5 水 43
2.6 用戶自定義熱交換系數 44
2.7 湍流 44
2.7.1 層流 44
2.7.2 標準湍流模型 44
2.7.3 模型 44
3 輻射 45   使用Flotherm仿真中物理學原理3_輻射
3.1 斯蒂芬－玻爾茲曼定律 45
3.2 輻射率數據 46
3.3 物體輻射49
3.3.1 物體和遮擋物體 49
3.3.2 打孔板和阻尼輻射 50
3.3.3 輻射和對稱面 51
3.4 耦合熱交換 51
4 環境條件 53  使用Flotherm仿真中物理學原理4_環境條件
4.1 標準室內環境 53
4.1.1 [Model/Global] 53
4.1.2 System->Ambients 53
4.1.3 對稱面和輻射 53
4.2 戶外條件54
4.2.1 太陽輻射 54
4.2.2 對于太陽輻射的材料數據 55
4.2.3 天空溫度 55
4.2.4 寒風 56
4.3 高海拔設置：室內和室外57
4.4 真空狀態下的電子設備 57
5 其它物理學方面 58 使用Flotherm仿真中物理學原理5_其它物理學方面
5.1 瞬態時間常數 58
5.2 水和空氣兩股流體 59
5.2.1 求解設置 59
5.2.2 管子的模擬 59
5.2.3 Cutous的模擬 59
5.3 粗糙度和壁面摩擦 61
5.3.1 層流（關于自然對流） 61
5.3.2 湍流流動 61
6 PCB板仿真 63  使用Flotherm仿真中物理學原理6_PCB熱仿真
6.1 非導熱板63
6.2 導熱PCB板 63
6.2.1 初級精度仿真 63
6.2.2 中級精度仿真:一個非等向熱導率塊 63
6.2.3 高精度仿真：三層板建模 64
6.2.4 中級精度和高級精度相結合 65
6.2.5 詳細仿真N層板 66
6.2.6 含銅量對熱導率的影響 66
6.2.7 ＥCAD-Board精度模型 67
6.3 輻射 68
6.4 熱過孔 68
6.5 Traces的載流量（焦耳加熱） 69
6.5.1 IPC-2221 69
6.5.2 IPC-2221中的錯誤 72
7 元件和元件仿真 74  使用Flotherm仿真中物理學原理7_元件和元件仿真
7.1 散熱方式和熱阻 74
7.2 封裝熱阻75
7.2.1 LSI 75
7.2.2 Infineon 76
7.3 分立封裝77
7.3.1 晶體管 77
7.4 封裝仿真FLOPACK 79
7.4.1 初級精度：塊（Lumped）元件 79
7.4.2 中級仿真：雙熱阻模型 81
7.4.3 高級精度：DELPHI模型 81
7.4.4 General networks熱阻模型 83
7.4.5 詳細模型 85
7.5 LED仿真86
7.5.1 Osram 86
7.5.2 Avago 89
8 打孔板處壓降 90  使用Flotherm仿真中物理學原理8_打孔板處壓降
8.1 自動設置90
8.1.1 Idelchik’s 數據 90
8.1.2 Straighten 流動選項 93
8.2 實驗測試94
8.3 數值測試96
8.4 阻尼元件生成 99
8.5 固定壓降99
8.6 閥門系數 和 之間的關系 99
8.7 使用固定流和風機進行測試 100
8.7.1 重疊阻力 100
8.7.2 使用固定流測量孔的阻力損失 101
8.7.3 使用固定流測量2D阻尼的壓降 101
8.7.4 使用一個有Hub和Swirl氣流風扇測量阻尼的壓力損失 101
8.7.5 沒有Hub的2D風扇 102
9 風扇 103  使用Flotherm仿真中物理學原理9_風扇
9.1 風扇類型介紹 103
9.1.1 軸流風扇 103
9.1.2 離心風扇 103
9.1.3 混流式風扇 103
9.2 風機特性曲線和工作點 103
9.2.1 無遮擋風扇 103
9.2.2 受遮擋風扇 104
9.3 噪音特性104
9.4 風扇熱功耗的估計 105
9.4.1 簡單的熱平衡 105
9.4.2 效率曲線 106
9.5 Swirl 106
9.6 風扇氣流短路 106
9.7 旁通 107
9.8 死區 107
9.9 離心風扇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 通過Flotherm網頁建立離心風機 109
10 散熱器 111   使用Flotherm仿真中物理學原理10_散熱器
10.1 散熱器各個方面 111
10.1.1 翅片高度 111
10.1.2 自然對流情況下翅片優化 112
10.1.3 強迫對流情況下散熱器 112
10.2 Flotherm中散熱器建模 113
10.2.1 詳細散熱器模型 113
10.2.2 簡化散熱器模型 113
10.2.3 風扇＋散熱器 113
10.3 小型散熱器實驗研究 114
11 機箱 115   使用Flotherm仿真中物理學原理11_14
11.1 開放式機箱 115
11.1.1 能量平衡 115
11.1.2 入口阻尼 116
11.2 封閉機箱118
11.3 機箱材料和顏色 118
11.4 模型實驗測量 119
12 芯片熱功耗趨勢 122
13 附錄 123
13.1 Electronics Cooling Magazine Technical Data123
13.2 螺釘應力和扭矩 124
14 封裝術語 125
15 風扇 130   使用Flotherm仿真中物理學原理9_風扇

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