散熱器件的案例
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
自然散熱管腳類器件flotherm熱仿真誤差分析案例1
我們在做產品分析時，多會發現一些器件仿真溫度與實測偏差很大的情況，這個時候多留意一點，細心觀察一下會獲得許多收獲與改進。本文整理一篇管腳類器件散熱仿真與實測誤差進行分析比對，共與大家一同學習參考。
問題來源
在做一款自然散熱產品仿真時，遇到一個功耗約為0.5W的二極管器件溫度明顯偏高，由于主要問題在二極管的溫度，因此將二極管單獨提取出來，專門研究分析：
相關條件如下：
環境溫度25℃
模型尺寸50×90×110（mm）
自然對流散熱
材料特性：外殼為塑料外殼，PCB板為導熱系數各向異性的FR4，二極管為導熱系數設為30的陶瓷材料，管腳為銅。功耗0.5W，其中，二極管外形建模方式如下：
模型1.1
仿真結果：
模型1.1溫度云圖
由圖中可以看出，二極管的最高溫度已經達到了202℃，這顯然不符合常理。于是又仔細觀察實物，修正模型如下：
實物 模型1.2
對其進行仿真，結果如下：
模型1.2溫度云圖
由模型1.2仿真結果可以看出，現在二極管最高溫度為143℃。可見，由于管腳由一個變為兩個，二極管最高溫度相差59℃。可以看到：對管腳類器件的建模應仔細按照實物建立，管腳的個數對器件的散熱影響很大。
修正管腳數量后，溫度仍然有很大的偏差，在實際中自然散熱狀態下功率為0.5w的二極管溫度也不會達到這么高，因此應該還有其它導致溫度很高的原因。
展開 PCB設計對電子器件散熱性能之影響
當器件散熱無法滿足需求時，PCB的散熱就成為很重要的設計方向。有了良好的PCB散熱考慮，就可避免因額外于系統中加裝散熱裝置所產生空間、成本及噪音等問題。良好的基板必須具備高熱傳導性及低熱膨脹系數，同時也應注意焊接線路對散熱的影響，此外一些特殊設計如金屬基板的設計都可以協助PCB散熱。最后在PCB上IC 的布局及系統空氣流向等設計問題也會影響散熱，是設計時應注意的。
『分享』功率器件的散熱計算及散熱器選擇
功率器件的散熱計算及散熱器選擇
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目前的電子產品主要采用貼片式封裝器件，但大功率器件及一些功率模塊仍然有不少用穿孔式封 裝，這主要是可方便地安裝在散熱器上，便于散熱。進行大功率器件及功率模塊的散熱計算，其目的是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器，以保證器件或模塊安全、可靠地工作。
散熱計算
任何器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗變成熱量。小功率器件損耗小，無需散熱裝置。而大功率器件損耗大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達到或超過允許的結溫，器件將受到損壞。因此必須加散熱裝置，最常用的就是將功率器件安裝在散熱器上，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇，以一定的風速加強冷卻散熱。在某些大型設備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果。 散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。功率器件安裝在散熱器上。它的主要熱流方向是由管芯傳到器件的底部，經散熱器將熱量散到周圍空間。若沒有風扇以一定風速冷卻，這稱為自然冷卻或自然對流散熱。
熱量在傳遞過程有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為R JC，器件底部與散熱器之間的熱阻為R CS，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為R SA，總的熱阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結溫為TJ、環境溫度為TA，可以按下式求出允許的總熱阻R JA。
展開 功率器件熱計算及散熱片選型分析 ￥50
功率器件散熱計算及散熱片選型分析
1.判斷功率器件是否需要散熱片？
對于本文的其余部分，讓我們假設正在使用 TO-220 封裝中的晶體管開發應用，晶體管的開關和傳導損耗相當于 2.78 W 的功耗，以及環境工作溫度為該應用預計不會超過 50°C。該晶體管是否需要散熱器？（詳見計算表）
2.散熱片熱阻計算及選型？
陶瓷基板助力高功率器件散熱消暑
來源：百度
當今世界科技飛速發展促進電子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向發展，因此給電子器件散熱帶來了嚴峻的挑戰。良好散熱效果依賴于優異的散熱結構設計、熱界面材料、散熱基板、封裝制造工藝等。基板作為承載集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，電路產生的熱量需要通過基板向外疏散。選擇一種兼具高熱導率與良好電絕緣性的基板材料成為解決當下電子器件散熱問題的關鍵。
由于傳統覆銅板由于低的熱導率以及具有導電性限制了在當今高功率器件中的應用。因此開發出具有高熱導率和良好的電氣互連的基板材料成為了當下的研究重點方向。目前市面上的PCB從材料大類上來分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。傳統的普通基板和金屬基板不能滿足當下工作環境下的應用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數小、優異的化學穩定性和導熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設備所需的性能要求。
01
介紹
陶瓷基板制備工藝流程多、流程復雜繁瑣，一款導熱性能優異的陶瓷基板離不開性能優異的粉體、精細的制備技術和嚴苛的測試。
1.1 陶瓷粉體
目前常用的高導熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國家大力發展綠色環保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺。碳化硅又因為其絕緣性差，無法應用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩定性好、導熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數，得到了廣泛推廣應用。
展開 IGBT功率器件散熱陶瓷基板用氮化鋁粉體企業推薦
隨著半導體封裝、LED封裝、IGBT模塊等功率器件向高功率、小型化、集成化的方向快速發展，對基板材料的導熱性能提出了更高的要求。氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等陶瓷基板具有高導熱、強度高、絕緣性好、化學穩定性好等優點，已經成為解決功率器件散熱的核心材料，如何攻克高端陶瓷原料開發及基板金屬化工藝成為行業發展的重點。
本次“iTherM Conf 2023”特設置“陶瓷基板材料與技術論壇”，以粉體以及基板制備技術、陶瓷基板金屬化工藝、IGBT、新能源功率模塊、LED封裝用陶瓷基板等為話題，分享近年陶瓷基板創新性的粉體材料和金屬化技術成果，探討陶瓷基板領域未來技術發展的關鍵，精彩呈現陶瓷基板在功率器件、高溫器件和三維封裝等領域的技術需求和應用進展，搭建導熱陶瓷基板行業產業鏈交流平臺，匯聚行業力量共同助力領域科技創新發展。
議題設置
議題1：粉體以及基板制備技術
議題2：陶瓷基板金屬化工藝
議題3：IGBT、新能源功率模塊、LED封裝用陶瓷基板
議題4：Si3N4陶瓷基板與金屬化
議題5：陶瓷基板的市場、政策與發展趨勢
如果對活動感興趣，歡迎私信咨詢~
END
★ 平臺聲明
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展開 【經驗貼】用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗必須要知道！
前言
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
圖2 散熱翅片的兩種處理方式
圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）
圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）
通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。
薄壁導流板
薄壁導流板簡稱擋板，其主要作用是場導向，終極目標是將散熱區域的流體流動最高效的應用起來，以達到調整流動方向、降低渦流（回流）和壓降、增強高溫區域流動的目的。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
作者 ：張楊 流體高級工程師 仿真秀專欄作者
來源：仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
一、散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
圖2 散熱翅片的兩種處理方式
圖3 散熱翅片的兩種處理方式（網格情況）
圖4 散熱翅片的兩種處理方式（求解結果）
通過測試算例可知，采用直接實體建模的工況與Shell殼導熱工況存在巨大的數據結果差別。翅片無厚度簡化過工況的散熱效果，要遠遠強于實體建模的情況（差別在4-5K左右）。
展開 用Fluent進行電子器件散熱仿真分析，這些經驗不可不知
張楊
仿真xiu專欄作者
在使用Fluent軟件進行電子器件散熱仿真分析的過程中，我們不可避免的要對實際的各種零部件進行簡化和處理。不管是幾何層面、網格層面還是求解器設定層面，不同的部件都有相應的處理方法。下面就針對散熱仿真中的一些專用的設備（如風扇、格柵、擋板等）進行描述。
值得一提的是，如果條件允許，仍舊強烈推薦通用的電子散熱問題使用 Icepak 軟件進行仿真計算，因為其在各個方面的工作效率都遠高于Fluent（比如常用散熱設備的處理，Icepak 已經具備了基于對象的求解方法）。
散熱翅片
散熱翅片又稱翅片式散熱器，是氣體或液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設備，同時也是 Fluent仿真中電子散熱問題最為常見的設備。
圖1 散熱翅片是最為常見的散熱設備之一
對于散熱翅片，通常不需要做額外的處理，也不建議做模型的簡化。
如下圖所示，由于翅片本身在法向上尺寸較小，其他兩個方向尺度又大，所以部分工程師很容易聯想到通過無厚度壁面的方式，對翅片進行簡化，從而降低網格數量。但是散熱翅片本身直接與發熱體相連，溫度梯度大，對整個流場的溫度分布影響也較大，所以通常情況下，這是不允許的。
展開 技術分享｜英飛凌高效散熱管理的器件封裝方案
然而，雖然知道WBG技術的益處，設計人員還必須考慮，改善散熱性能對于實現這些重要目標有著至關重要的作用。
頂部散熱——概述和優點
汽車環境對于電子組件存在很多危害因素，包括灰塵、污垢和液體，有鑒于此，電動汽車中的大多數電子系統都通過密封加以保護。這種情況不允許使用強制風冷式散熱，因此，散熱管理通常是將大功率元器件產生的熱量傳導至電動汽車內的冷卻液。
一般來說，大功率SMD元器件的導熱路徑是從功率器件向下傳導至PCB，PCB則鍵合在散熱板上。這種方式被稱為“底部散熱”（BSC）。
在散熱任務艱巨的應用中，可以將功率器件貼裝在絕緣金屬基板（IMS）上，這樣做可以優化散熱性能，因為絕緣金屬基板的導熱性優于帶散熱通孔的FR4。然而，底部散熱方法總是要在散熱性能與電路板空間利用率之間謀求折衷。
通過創新封裝，英飛凌研制出適用于功率分立器件和功率IC的頂部散熱（TSC）技術。這項技術有許多優點，所有這些優點都能讓車載充電器設計和其他類似應用受益。
底部散熱通常將散熱板安裝到PCB/IMS底部進行散熱。這樣就有一個面不能放置元件，因而使功率密度降低一半。半導體器件與PCB鍵合在一起散熱，意味著它們將在相同溫度下工作。FR4的Tg低于許多現代功率器件的工作溫度，這限制了這些器件充分發揮其潛力。
展開 功率器件封裝結構熱設計綜述
當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 
納米銀膏增強大功率LED器件散熱性能研究
結果表明：納米銀膏可以改善大功率發光二極管的散熱效果，提高光學性能及器件可靠性．
注：
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元器件熱設計：熱阻是什么？散熱路徑圖解
由于我們的主題是“半導體元器件的熱設計”，因此在這里將以安裝在印刷電路板上的IC為例進行說明。
熱源是IC芯片。該熱量會傳導至封裝、引線框架、焊盤和印刷電路板。熱量通過對流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面傳遞到大氣中。可以使用熱阻表示如下：
上圖右上方的IC截面圖中，每個部分的顏色與電路網圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網中所示的熱阻達到環境溫度TA。
采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。
具體而言，熱量從芯片經由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。
其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實現對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實現對流和輻射的路徑。
如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。
就如本文所講的，所謂的“熱設計”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。
03
左中括號
什么是熱阻
左中括號
熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。是任意兩點之間的溫度差除以兩點之間流動的熱流量（單位時間內流動的熱量）而獲得的值。
展開 干貨 | 元器件熱設計：熱阻是什么？散熱路徑圖解
由于我們的主題是“半導體元器件的熱設計”，因此在這里將以安裝在印刷電路板上的IC為例進行說明。
熱源是IC芯片。該熱量會傳導至封裝、引線框架、焊盤和印刷電路板。熱量通過對流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面傳遞到大氣中。可以使用熱阻表示如下：
上圖右上方的IC截面圖中，每個部分的顏色與電路網圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網中所示的熱阻達到環境溫度TA。
采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。
具體而言，熱量從芯片經由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。
其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實現對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實現對流和輻射的路徑。
如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。
就如本文所講的，所謂的“熱設計”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。
什么是熱阻
熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。
展開 《從零開始學散熱2》討論題：溫度對元器件性能和壽命的影響有哪些？ ￥1.99
討論題：溫度對元器件性能和壽命的影響有哪些？（ ）
A、材料熱膨脹系數不匹配導致的熱應力
B、材料被腐蝕速率隨溫度升高而升高
C、溫度變化后，材料電氣性能會發生變化
D、溫度變化后，芯片封裝氣密性會發生變化
E、溫度變化后，一些材料的硬度、機械粘接力、彈性模量等會發生變化
坦白講，這是我成為熱設計工程師之初一直在思考的問題，原因是擔心熱設計行業會不會很快成為夕陽行業。雖然我前面通過熱的無序性和信息以及能源的有序性矛盾粗略解釋了熱管理問題會越來越嚴重，但那個畢竟抽象得多。這里我嘗試從更具體的角度來解釋熱對元器件性能和壽命的影響。
A選項所說的不同材料的熱膨脹系數不匹配導致的熱應力，是溫度升高導致元器件壽命下降的最重要的因素之一。
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