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不同结构的热模型对应板式散热器管理解决方案


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       封装结构和热模型的板式散热器需要精确建模,并且应当在选择封装之前的热设计中就使用元器件的三维表示,此外还介绍了双热阻和 DELPHI 简化热模型。下面将更详细地讨论这些模型的预测精度。

双热阻模型

       对于双热阻简化热模型 (CTM) 是保真度最低的模型,能够预测壳温和结温。使用双热阻模型的一个好处是,除了简单的导热块以外,它不需要任何其他网格,因此对仿真时间无不利影响。虽然其计算量最小,但在最坏情况下,结温预测的误差可能高达 ±30%,而且会因封装类型和尺寸而有所不同。

        该模型所基于的结-壳热阻和结-电路板热阻指标是在标准条件下测量的。JEDEC 标准 JESD15-3 要求结-电路板热阻在具有连续电源和接地平面层的 2s2p 电路板上测量。测量结-壳热阻时,需将封装顶部压在冷板上。因此,应用条件与测试条件越接近,双热阻模型的预测精度就越高。对于结-壳热阻,最接近测试环境的应用环境是当元器件有一个散热器贴附整个封装表面时。因此,双热阻模型可用来初步评估所需散热器的尺寸。

        双热阻模型的上表面是一个代表外壳的等温节点,这意味着散热器的基座是等温的。因此,双热阻模型可用来确定降低散热器空气侧热阻所需的鳍片数量、厚度和高度,但不能确定为了充分散热以确保传递到外部鳍片的热量不会受过度限制的基座厚度。

RC 阶梯模型

       对于具有单一热流路径的封装,如 LED 和 TO 式封装,有一种 JEDEC 标准方法 [参考文献 2] 可用于测量从结点至封装调整片的热流路径的热阻-热容模型。注意,这种方法并不直接向封装的裸露上表面提供热阻。然而,如果能通过某种方式估算该热阻,那么就可以使用 Mentor Graphics 的瞬态热测试仪 T3Ster 来创建一个考虑这种情况的 RC 阶梯热模型。

        T3Ster 是业界领先的解决方案,可用于测量封装 IC 以创建相应的热模型,从而直接用作 FloTHERM 中的网络组件。与仅包含热阻的双热阻模型不同,这些模型还包含热容,因此可用于瞬态仿真。当应用环境接近测试冷板环境时,例如将封装焊接到 MCPCB 或高热导率板上的铜焊盘时,这些模型可提供出色的结果。

DELPHI 模型

       DELPHI 模型得名于 Flomerics 在 1990 年代后期协调开发的 DELPHI 项目。这些模型分割了上下表面,并用一个热阻矩阵将这些表面连接到结点和/或彼此连接。利用这些附加的内部热阻,可根据边界条件调整流经这些封装内部路径的热量。在很多应用中,该模型预测的最坏情况结温精度都在 ±10% 范围内。一般来说,DELPHI 模型足以应付大多数详细热设计工作,但以下情况除外:热特性极为关键的封装,叠层或三维 IC,以及需要通过仿真获得额外信息(例如芯片表面的温度分布)的情况。

详细模型

       详细模型是以离散方式为封装内部所有热相关特性建模的热模型。注意,这些模型常常包含一定程度的近似,因为个别封装键合线等特性常常是集总考虑的。然而,此类模型的目的是为了精确反映封装内部的温度分布。使用的几何形状和材料属性正确的话,此类模型可提供最高的保真度。

       对于需要散热器、风扇组件或导热垫等特定热管理解决方案的元器件,应当详细建模以便正确优化散热解决方案。例如,就散热器而言,众所周知,封装内的温度分布会影响散热器内的温度分布。为此,建议针对此类用途使用详细封装热模型。

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