ansys熱仿真接觸熱阻的案例
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
CAE白堤
接觸熱阻
任意兩物體接觸在一起，在其接觸面處存在一定的空氣間隙，由此產生的熱阻為接觸熱阻。如圖所示，接觸面間的凹凸不平，使得有效傳熱面積降低。而且，由于間隙狹小，空氣不能形成有效流動，熱量透過這些間隙只能通過熱傳導的形式。空氣導熱系數是鋁的萬分之一左右，因此，剛性面接觸不嚴所致的接觸熱阻是熱量導出的關鍵控制。當有大的熱流通過這些接觸面時，會在接觸面的兩側形成較大的溫度梯度。
接觸熱阻的影響因素
l 接觸表面的數量、形狀、大小及分布規律
l 接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）
l 非接觸間隙的平均厚度
l 間隙中介質種類（真空、液體、氣體）
l 接觸表面的硬度
l 接觸表面壓力大小
l 接觸表面的氧化程度和清潔度
l 接觸材料的導熱系數
改善接觸熱阻措施
電子設備中元器件與散熱器之間、元器件與外殼之間、PCB與散熱器之間等等，雖然通過以上的8個方面一定程度上能改善接觸熱阻。但目前比較通用的方法是采用導熱界面材料來填充，將氣體擠出接觸面，從而降低接觸熱阻值。
熱阻簡化
對某仿真問題，如果已經指定了要進行固體導熱計算，則可以再固體與固體或固體與流體接觸面設置接觸熱阻，可通過輸入接觸熱阻或者輸入接觸層厚度及接觸層的材料屬性來設定。
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內某知名企業，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
展開 基于ansys workbench 多層復合壁的導熱（體現接觸熱阻）
問題描述：多層復合壁的導熱問題，不同接觸熱阻下的接觸面溫度的對比
分析類型：穩態熱分析
分析平臺：ANSYS Workbench 17.0
分析人：技術鄰 一無所有就是打拼的理由
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/b/218
一、傳熱基本知識：
熱傳導熱量傳輸速率方程就是傅里葉定律。傅里葉一般規律：導熱的熱流密度大小與該處的溫度梯度成正比，其方向與溫度梯度的方向相反，指向溫度降低的方向，數學表達式為：
熱流密度矢量的表達式為：
不同坐標系下的導熱微分方程：
直角坐標系：
圓柱坐標系：
球坐標系：
導熱微分方程式描寫物體的溫度隨時間和空間變化的關系；它沒有涉及具體、特定的導熱過程，是通用表達式。在不同情況下，均可簡化為不同形式。
二、多層復合壁導熱示意圖：
接觸熱阻：當一固體與另一熱固體接觸以接受熱量時，由于固體表面都有一定的粗糙度，所以無法避免在接觸面之間存有空氣。甚至液體和金屬表面接觸，在凹陷的地方也可能存有極少量的空氣泡排不出去。由于這些空氣的存在而產生的熱阻稱為接觸熱阻。
多層復合壁模型：
從左往右三層的材料分別為銅，鋁，鋼，厚度分別為10mm，15mm，5mm，模型如下：
接觸熱阻為100000時溫度場分布及溫度變化云圖如下：
當接觸熱阻為1000時，銅與鋁交界面的溫度為99.207攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為64.407攝氏度；當接觸熱阻為1000000時，銅與鋁交界面的溫度為91.424攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為58.766攝氏度。從結果可以看出，接觸熱阻對多層復合壁導熱的影響較為明顯。
展開 熱仿真在芯片研發中的作用及熱阻講解—為什么任正非說芯片熱分析是尖端技術？
SIP系統級封裝
Stacked Die堆棧封裝示意圖
眾所周知，當電流流經導體時，必然會生成焦耳熱，熱量的不平均勢必引起導體的熱變形等不良現象，那么對于高度集成的芯片封裝，在其工作時，芯片內部的熱耗勢必急劇增大，進而導致芯片內部溫度升高，因此在芯片封裝的研發過程中，芯片封裝的過熱問題必須得到良好的控制。
焦耳熱引起的導體溫升及熱變形
某芯片內部的電流云圖、某芯片的溫度云圖分布
正如華為總裁任正非2018年接受記者采訪時講到“我們把芯片疊起來，但最大的問題是要把兩個芯片中間的熱量散出來，這也是尖端技術，所以說，熱學將是電子工業中最尖端的科學，這方面我們的研究也是領先的，就是太抽象了”，那么在芯片封裝的研發過程中，工程師可以使用ANSYS Icepak對芯片封裝內部的熱流場進行CAE仿真計算，也可以和ANSYS其他模塊一起，進行芯片封裝的多物理場耦合模擬計算，以便調控熱流傳遞路徑，更好地降低芯片Die的溫度，提高其熱可靠性。下圖為某芯片內部的熱流密度及溫度云圖，可以看出，芯片內部的溫度極其不均勻。
ANSYS Icepak作為一款優異的電子熱仿真軟件，可以對芯片封裝的各個尺度進行熱流仿真計算，小到芯片內部0.25μm的溝道，大到cm厘米級別的封裝、芯片，都可以對其進行有效精確的熱流仿真計算。當前，在芯片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了芯片封裝放置于JEDEC（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。芯片封裝內的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對芯片進行詳細的熱流計算時，務必導入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。
展開 熱仿真-實測結果下對比集總參數法與雙熱阻模型 ￥1.9
目前開展的建模方式中，大多采用“集總參數法”對元器件進行簡化建模，該方法簡單快速；另一種方式是建立器件的雙熱阻模型，但需要準確獲知器件的熱阻值，那兩種方法對于板級仿真準確性如何呢？
基于此，本案例對比分析了集總參數法與雙熱阻模型的仿真應用，并開展了溫度實測，討論了不同建模方法與實測值的符合性。
2、芯片散熱相關理論簡介
2.1 芯片的散熱方式
一般而言封裝芯片的散熱方式也包含了上述三種熱傳遞形式，即熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。元器件主要散熱形式和具體的熱設計措施有關，不存在通用的規律。如下圖所示，為典型封裝芯片的傳熱路徑。
圖1.典型器件散熱形式
2.2 熱阻理論及元器件建模方法
1、集總參數法
集總參數法：即設置物體內部單一導熱率、認為物體溫度均勻一致的近似分析方法。該方法簡單、易操作、所需信息少；該方法適用于一般元件，例如電阻、電感等，而對于器件由于封裝內部結構、材料不同，導致封裝不同方向導熱率會有較大差異，采用集總參數法建模，則仿真誤差可能相對較大，后續會做具體對比分析。
圖2.集總參數法
2、 雙熱阻模型
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結到環境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。
展開 
ANSYS接觸摩擦熱分析
ANSYS接觸摩擦熱分析
例子來源于ANSYS幫助文檔。
分析兩接觸面的摩擦熱，模型如圖1所示。上面的摩擦面一直滑動，與下接觸面摩擦產生熱。分析時采用直接耦合的方法，采用plane13單元，屬于2D耦合場單元，接觸面的目標面采用TARGET169，接觸面采用CONTA171。分析時采用瞬態分析步完成。
圖1
材料、幾何尺寸與載荷約束如圖2所示。
圖2
建模時創建兩個blocks，上面的稱為sliding block，sliding block的下表明為CONTACT AREA，下面的為fixed block，fixed block的上表面為TARGET AREA。
第一個載荷步，sliding block在10MPa的壓力作用下沿著fixed block的上表面滑動3.75mm的距離。滑動過程中產生熱源，并且被兩個block吸收。
定義block單元
ET,1,PLANE13,4 !后面的4表示KOP1系數為4，代表自由度為UX, UY, TEMP
其他過程為定義材料屬性和建模以及定義接觸屬性。
展開 AnsysWB-基于熱循環載荷的焊球熱應力仿真 ￥15
由于反復接通和斷開電源，微電子元件受
</div><div contenteditable="false" width="100%">
到熱循環的作用，因此，焊點處出現裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，從而導
</div><div contenteditable="false" width="100%">
致故障。
</div><p>本例基于 “非線性結構材料模塊”中的模型 “黏塑性焊點”。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
<img src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png?
展開 ANSYS系列網絡培訓課程—ANSYS 16.0 通用接觸仿真技術
ANSYS系列網絡培訓課程—ANSYS 16.0 通用接觸仿真技術
【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 【Ansys線上直播回看】Ansys結構-熱-可靠性聯合仿真解決方案
在Ansys 收購電子產品可靠性分析軟件Sherlock后，以上問題都可以迎刃而解。然而實際電子產品的復雜性和條件不確定性，為準確獲得系統電子產品可靠性帶來了極大難度。所以，熱仿真，機械仿真和可靠性物理學必須結合使用，以最準確地識別/緩解電子組件的故障風險。
此次網絡直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會后我們也陸續收到在線觀眾以及其他用戶前來詢問，在此附上本場網絡直播錄播內容，供大家回看學習。
▼▼▼2020 Ansys網絡研討會有獎反饋 - 可免費獲取本場錄播和講解資料，參與者均可獲得千元培訓券及技術鄰金幣獎勵！
▼▼▼“更多Ansys近期專題研討會” - 歡迎掃碼報名參加！
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立即提交作品參加Ansys“仿真的藝術”圖片作品大賽
為紀念公司成立50周年，Ansys于近期推出全新“仿真的藝術”圖片作品大賽，讓您有機會充分發揮自身超強的建模能力，開展巧奪天工的設計，并展示您精彩的作品。歡迎提交采用Ansys仿真解決方案制作的設計作品，可選擇的參賽仿真設計主題有16類，涵蓋主要物理領域和新興技術。
『或點擊此處進入報名通道』
展開 【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
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【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 AnsysWB-回形針接觸仿真 ￥5
[圖片]
【6月27日-30日 南京】ANSYS Icepak電子設備熱設計熱仿真高級工程應用專題
一、給方法解決以下關鍵問題：
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握Icepak工程應用技巧+實操模型訓練
3、所有實例緊緊Icepak工程應用為核心目標，進行實操模擬訓練
二、14個實例模型貼近工程實戰操作：
案例01：機箱冷卻仿真計算案例
案例02：LED自然冷卻計算
案例03：Icepak自建模案例案例
案例04：導入外部CAD模型
案例05：導入外部EAD模型案例
案例06：風冷機箱網格劃分
案例07：液冷冷板網格劃分案例
案例08：熱管網格劃分
案例09：外太空環境熱仿真計算案例
案例10：PCB板散熱仿真計算
案例11：Icepak-Mechanical熱-結構耦合計算案例
案例12：Icepak機箱散熱優化設計
案例13：風機仿真計算案例
案例14：電動汽車電池包熱流計算
三、與同行差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程中，注重步驟和設置原理
3、系統：7600+學員反饋、工程實例更新與精選，形成系統的版權知識體系
4、響應：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果：所有學員提供高配筆記本、工程模型、電子資料、操作軟件 操作反饋與指導
四、增值服務
持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
展開 Ansys Icepak電子器件關鍵熱仿真流程及案例
ECAD的Trace走線/層數/厚度及過孔信息
3
網格鋪設技術
對所有仿真技術人員來說，鋪設網格是一較大難點。Ansys Icepak具備非常完善的網格系統，可以實現真實模型貼體網格，如優先級技巧、多重組件(Embedded Assembly)及多級化網格等；建議使用者接受一次常規且完整的培訓，莎益博每年會定期開設相關課程，用以提升使用者的水平及工作效率，可直接進行咨詢。
4
熱仿真設計案例
本文以一臺一體機(All-in-one)進行流程說明。此一體機的ID設計、機構Placement、散熱方案及材料選擇等，皆通過仿真給予一可靠的數據來進行。
散熱方案中包含一風扇，利用供貨商提供的風扇性能曲線(P-Q curve)，在Ansys Icepak做相應特性設置。
風扇性能(P-Q curve)及模型圖紙
從發熱組件的功率規范書中，可設置相應發熱狀態，一般供貨商數據中可獲得2R發熱模型；我們在Ansys Icepak中相應去設置Network發熱量及熱阻即可。
散熱方案中成本最高的熱管模型可直接導入仿真計算中，選用正確材料屬性即可。部分器件有過熱的風險，我們協助提供需要進行熱導墊(Thermal Pad)的位置，此時，機構工程師需要協助在機構件上面改上Punch做散熱橋接之用；采用的設計參數將根據仿真結果作選用。
考慮電路圖。
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