FLOEFD电子散热LED热模拟方法及案例应用（赠模型）

导读：本文来自工程师的技术投稿，本实例为转向灯的热模拟分析案例。，通过本实例的学习，使读者可以了解LED电子散热分析的基本流程以及工程上判定电子元件失效的方法。欢迎读者朋友在文章下方留言互动或私信进一步技术交流，更多内容请读者朋友在仿真秀官网搜索关键词查找。

一、写在文前

所有集成电路都有一个集中活动并且产生绝大部分热量的小区域。这是芯片中最热的部分，叫做结点（Junction）。结点最高允许温度被性能要求、可靠性、芯片和封装材料性质等限制。电子系统热设计的主要目标是设计合理的冷却方法，以保证器件结点温度低于最高允许温度。微电子封装提供了从芯片至外部表面的传热路径，在外部表面再应用各种冷却技术。所以，微电子封装的一项重要指标是用来描述封装中芯片由里至外的热传性能。有各种数学表达式用来描述封装的热性能。这些数学表达式通常叫做封装的热参数或者热指标。

（1）结-空气热阻

封装中芯片产生的热量通过不同路径扩散。然而，不管何种封装，热量最终都散入周围空气。所以，衡量封装冷却效率的一个有效指标是结-空气热阻，定义如下：

式中，和分别代表结点和环境空气温度，Q表示芯片总散热量。代表自然对流和强制对流两种情况下的结-空气热阻。风速为零时表示自然对流，风速非零时表示强制对流。

（2）结-壳热阻和结-板热阻

封装芯片产生的热量通过封装内部各种复杂的路径穿过封装顶部（到空气或安装在顶部的散热器）或底部（到印刷电路板），以进行热消散。封装的结-壳和结-板热阻标志着不同热传途径。

结-壳热阻定义为：

式中，和分别代表结点和结壳温度，是从芯片传递至封装管壳的那部分热量。管壳指主要传热路径中封装外表面。

结-板热阻定义为：

式中，和分别代表结点温度和板的温度，是从结点传递至板的那部分热量。

（3）板的尺寸和导热系数

高导热系数的板可以减小板的导热热阻，进而减小板-空气热阻，大尺寸的板可以减小对流热阻和辐射热阻，同样减小板-空气热阻。所以，大尺寸或高导热系数的板可以减小板-空气热阻，因而减小结-空气热阻。如下图可以看出，封装安装在高导热系数的PCB上时，其结-空气热阻减小。然而，当PCB与封装的面积之比大于5后，结-空气热阻不会随着PCB面积增加而减小。这是因为距离封装远处，板温降低，而板和空气之间的温差与热换量成正比，因而远处的面积对于散热没有帮助。

二、LED灯热模拟分析实例

笔者借用了软件自带的模型，然后编写了LED散热模拟案例，本案例模型已经收录到仿真秀最全仿真学习资料包，用户可以自行免费下载。如果您在文章末尾点赞、在看和分享到朋友圈截图发到本公众 号对话框，我会手动发送您以下模型。

首先，我们来看一下LED热分析流程。

（1）创建热仿真模型

Step 1 创建分析系统

启动 Simcenter FLOEFD 程序，新建热仿真装配体，命名为Thermal Simulation Assembly如下图所示。（注意设置文件存放位置）。单击OK后进入装配体，点Cancel取消Add component。

Step 2 导入EDA

①选择【Tools】→【Create Lids】→【EDA Import】，进入Simcenter FLOEFD EDA Bridge后，左键单击【Open】，选择电子提供的ODB++文件，如下图所示，单击OK。

② 在左侧的激活和非激活组件中，将三极管Q1也设置为非激活元器件，方法是在下图中红色方框处勾选即可：

③ 单击Transfer Assembly，将【Board Modeling Lever】设置为【材料图】，单击【开始传输】将ODB++电路设计文件传输到FLOEFD界面中，如下图所示，

④ 右键单击【Smart PCB】，选择【Show】，可以看到PCB的Layout布局已经成功导入到FLOEFD中了，这是我们做板级热模拟的基础。如下图所示，可以看到PCB的铜层分布以及各个位置的热导率。同时需要注意的是，我们导入ODB++文件时无法将电子在AD软件中做的绿油导入FLOEFD，因此，导入FLOEFD中的PCB板厚度会小于1.6mm。但由于绿油的厚度很薄，对PCB整体的厚度影响甚微，我们可以忽略绿油的厚度，在装配体中我们重新装配一下板上元器件即可，确保板上元器件与板完全贴合，这是做电子散热的关键，只有接触的面才能传导热。

Step 3 导入除PCB外其他装配体文件

此部分主要应用到UG的装配功能，主要应用到如下功能，装配好的3D图如下图所，

需要注意的是，PCB板上的元器件需要做简化处理，LED和电阻需要删除圆角。主要应用UG中同步建模的Replace Face和Delete Face，做好前处理的元器件如下图所示,

至此，前处理工作完成，接下来将是FLOEFD中相关设置

Step 4 建立一个流体仿真项目导航

FLOEFD的定位是设计工程师掌握的流体仿真软件，使用简单快捷，上手容易。使用项目导航功能可以方便非专业仿真工程师建议一套准备的流体仿真环境。具体的操作步骤如下：

① 新建一个项目导航

②——③ 命令一个项目名称，例如25℃，单击Next

④——⑤ 修改温度单位为℃，单击Next

⑥——⑫  定义分析类型为外部流体，勾选热传导，勾选辐射，设置辐射环境温度为25℃，勾选重力，根据坐标系设置重力的方向，单击Next

⑬——⑭ 在Gases中找到流体介质为Air空气，单击Next

⑮——⑯ 选择金属中的Copper铜作为默认固体材料，这里设置固体材料没有硬性要求，在后续分析过程中固体若没有定义材料，则默认为铜

——默认壁面设置为Blackbody Wall，这里的壁面颜色也没有硬性要求，若塑料件主要是黑色的，则建议默认为黑色壁面进行分析。

⑱——⑳ 环境温度设置为25℃，由于是自然对流，风速XYZ方向全部设置为0，固体温度设置为25℃，单击Next，建议好一套完整的热分析系统。

Step 5 创建体积热源

针对电阻这类没有PN结的电子元器件，使用体积热源功能定义该电阻的功率。操作方法如下，选择【Volume Source】→【Create a new Volume Source】，选择电阻，并定义其功率，剩下的电阻按照此方法定义即可。

Step 6 创建双热阻

针对三极管这类双PN结的元器件，可以采用双热阻进行模拟，在定义双热阻组件之前，需要根据先在Engineering Database中定义好双热阻的参数。打开 Engineering Database后，找到【Two—Resistor Component】→【User Defined】，在【Item Properties】中定义三极管的名称为Q1，结-壳热阻为6.2K/W，结-板热阻为19.4K/W

Step 7 定义双热阻

选择【Two Resistor】→【Create a new Resistor Component】，选择三极管，定义其功率为0.503，固体温度为25℃，并在结果显示中选择结温。

Step 8 创建LED

针对发光二极管LED这类元器件，可以采用LED进行模拟，在定义LED之前，需要根据先在Engineering Database中定义好LED的热光模型参数。打开 Engineering Database后，找到【LEDs】→【User Defined】，在【Item Properties】中定义LED的热光模型参数，如下图所示

⑧定义温度与电流-光通量的关系

温度与电流-电压的关系可以参考电子工程师给出的元器件功率表，按照如下图所示进行定义。

当硬件工程师提供LED的热功率之后，我们可以在温度与电流-辐射通量的表格中定义LED的光辐射通量相关的参数，如下图所示，

温度与电流-光通量的关系可以参考电子工程师给出的元器件表中对应温度下的光通量，如下图所示，

Step 9 定义LED

选择【LED】→【Create a new LED】，定义下图中的LED热光模型

⑦ 显示温度选择结温

Step 10 定义目标

目标是监控温度是否达到稳态的一个重要手段，在计算的过程中可以查看元器件的结温是否稳定在一个值，也就是其收敛曲线是否水平。若收敛曲线不水平，则可以查看元器件和PCB板是否存在未接触的问题。选择元器件，勾选固体温度中的最大值和平均值，定义目标的方法如下，

Step 11 网格划分

FLOEFD的网格采用的是有限差分法中的正交网格，这种网格设置简单，对模型不敏感，可以计算复杂模型。在划分网格时，建议对PCB以及PCB上的封装元器件采用局部细化网格来提高仿真精度，对整体的网格采用较粗糙的网格，这样不仅保证了求解效率同时提高了计算精度。

局部网格的设置方法如下，单击【Global Mesh】→【Local Mesh】→【Create a new Local Mesh】

PCB及封装元件的网格设置如下,可以拖动箭头来调整细化网格的区域大小：

④高级网格细化，对细小特征进行细化，设置6-8级即可

备注：对于具体网格细化的意义可以参考软件的帮助文档，FLOEFD对网格没有强制的要求，只要网格细化到一定程度即可，尽量控制网格总数在1000万以内避免造成计算量过大

Step 12 求解计算

① 单击【Run】，如下图所示

② 在计算过程中，打开目标监控图，操作方法如下

③ 求解收敛曲线图，如下图所示，当收敛曲线水平时代表着结温已经达到稳定值，目标收敛，如下图所示，

Step 13 结果后处理

一般在做报告时，用得最多的就是表面图解，表面图解的方法如下，右键单击【Surface Plot】→【Insert】，在【Selection】中勾选Use all faces，显示整个模型的温度图解

灯的温度图解如下：

以上就是我向大家推荐的全部内容，欢迎读者朋友在文章下方留言与我互动，如有不当欢迎批评指正。

三、相关推荐

FloEFD 热仿真在产品设计方面，它能够提前评估散热性能、优化结构布局和辅助材料选择，从而提升产品的热性能。在产品开发周期上，减少物理样机制作次数并且实现设计方案的快速迭代，有效缩短开发周期。从产品质量和可靠性来讲，它有助于预测热故障点、评估热应力影响，进而提高产品质量。在节能和环保领域，能优化散热系统能效，减少过热引起的材料损耗，对节能减排和延长设备寿命等方面有着重要作用。

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