用Fluent对电子芯片散热仿真计算 step by step

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了如何使用Fluent软件对实际的传热问题进行仿真分析。首先，文章概述了电子元器件的可靠性与温度息息相关，因此散热问题通常是电子产品设计过程中需要首先考虑的情况。接着，文章详细讲解了一个芯片散热场景的仿真分析过程，包括问题概述、详细操作步骤等。其中，详细操作步骤包括导入初始网格文件、开启能量方程、修改材料属性、建立监测点、设定边界条件、设置求解方法、保存案例、初始化、计算仿真、后处理等。最后，文章还介绍了如何进行热辐射模型的设置和计算结果的对比。

电子元器件的可靠性与温度息息相关，因此，散热问题通常是电子产品设计过程中需要首先考虑的情况。本案例就从一个简单的芯片散热场景入手，为大家详细讲解如何使用Fluent软件对实际的传热问题进行仿真分析。

一、问题概述

• 对安装在印刷电路板（PCB）上的电子元件（芯片）进行散热仿真分析，其中换热的模型包括热传导、自然对流和热辐射。

• 连接在印刷电路板（PCB）上的电子元件（芯片）以75W的功率发热。

• 该部件连接到一个由铜制成的散热翅片（Heatsink）上。

• PCB板、芯片和散热器位于四周封闭的外壳中，但上方与下方是敞开的，气流可以随意的流入与流出。

• 热部件产生的自然对流将空气源源不断的从底部吸入，并将热量带走，以防止部件过热而导致可靠性的降低。

• 本次仿真将预测整个系统中所有组件可能达到的最高温度。

图1 算例的三维几何模型（流体区域+固体区域）

二、详细操作步骤

1、将本算例的初始网格文件heatsink.msh拷贝至工作目录。打开Workbench软件，并将当前算例保存至工作目录。从左侧的工具箱中拖拽一个Fluent工作模块，并导入heatsink.msh。

图2

2、打开Fluent软件，勾选双精度选项（Double Precision），建议使用并行计算（至少4核）。

图3

3、更改单位，温度的单位在本算例中建议使用摄氏度C。

图4

4、建立监测点，坐标为(0,0.15,0.05)。

图5

5、开启能量方程，由于本例中的流动为层流，因此不需要对粘性选项做任何修改。

图6

6、修改默认的材料属性，将Air的密度Density改为不可压缩的理想气体（Incompressible-Ideal-Gas）。由于本例中自然对流驱动的压力差值很小，因此压力对密度的影响可以忽略，仅认为密度与温度成正比即可。

图7

7、新增固体区域材料铜（Copper），并拷贝到算例中。随后修改材料属性，并按照下图的数据进行输入

Name = FR-4 ; Density = 1250kg/m＾3;

Cp = 1300 J/kg K; conductivity 0.35 W/m K

随后点击Change/Create，在随后弹出的对话框内选择NO，不覆盖铜的材料。

图8

图9

8、采用和7步骤中同样的方法创建另外一个材料

Name = component ; Density = 1900 kg/m＾3;

Cp = 795 J/kg K; Thermal Conductivity = 10 W/m K

9、在Setting Up Physics标签中选择操作条件Operating Conditions，并修改重力Gravity和操作密度Operating Density。

图10

10、在Cell Zone设置条件面板中，分别对三个固体区域赋予对应的材料属性boardFR-4, sourcecomponent, heatsinkcopper。需要注意的是，在指定芯片的属性时，还需要进行源项数据的指定，如图12所示。由于芯片的总发热功率为75W，总体积为0.11808x10＾-3 m＾3，因此单位体积上的发热功率为635000 W/m＾3。

图11

图12

11、边界条件设定，在Setting Up Physics标签中选择边界条件Boundary Conditions，修改入口inlet的类型为压力入口pressure-inlet，并按照面板输入对应的数据（入口表总压为0Pa，温度为45C）

图13

12、出口的属性设置为表静压0Pa，回流温度45C。其余的边界条件（如壁面wall等）保持默认设置即可。

13.按照图14与图15中所示的内容建立监测报告，首先监测点的温度；其次监测芯片的提平均温度。

图14

图15

14、如图16所示，设置求解方法solution Methods。包括压力速度的偶和方法Coupled，压力的差值格式Body Force Weighted，以及伪瞬态方法Pseudo Transient和高阶松弛选项High Order Term Relaxation

图16

15、如图17所示，在残差监视器中Residuals monitor修改自动判定收敛的准则，将Y方向速度方程的残差改为1e-4，这样可以提高收敛精度。

图17

16、保存案例，随后初始化，并计算仿真，时间步数设置为500。

图18

17、计算收敛之后，进行仿真的后处理。在Postprocessing面板中，通过ISO surface的方法建立与X轴垂直的YZ平面，并将其命名为“x=0”。

图19

18、可以根据用户自己的需求，进行计算结果的显示，包括云图contours和矢量图vector等，这些结果既可以显示在已有的表面上，也可以显示在新建的内部剖面（x=0）上。

图20

19、退回到Workbench界面，复 制该Fluent模块，并分别为两个案例模块命名。随后点击新模块中的Solution选项，进行热辐射模型的设置。

图21

20、在Setting Up Physics面板下选择热辐射模型Radiation，之后选择Surface to Surface (S2S)热辐射模型，并点击Compute/Write/Read计算视线因子。这个计算需要几分钟的时间，结束之后在工程文件中会保存一个专门的视线因子文件，以备后续使用。

图22

21、当考虑热辐射模型时，边界条件的设定需要有相应的更新，主要包括壁面的内部发射率Internal Emissivity。由于S2S模型适用的范围不考虑流体的吸收，因此通常不需要对流体材料属性做任何更改。

在本例中，需要对wall_left，wall_right和wall_top中的内部发射率进行修改（数值为0.9），方法如图23所示。其他壁面边界的发射率按照以下数据进行更改：wall_heat_sink-shadow = 0.9，wall_board-shadow = 0.9，wall_heat_source = 0.3。当然，和固体区域相邻的壁面（如wall_board_bottom等）则不需要设定发射率。

图23

22、进口与出口边界的发射率都设置成1，方法和wall边界的设定有一定区别，参见图24。

图24

23、修改好边界条件后，即可进行初始化和仿真求解。

24、求解收敛后，回到Workbench界面，新拖入一个Result模块进行计算结果的对比，方法是将两个求解的结果Solution都拖拉一条线连接到Result模块上，如图25所示。

图25

25.双击result进入到CFD Post界面，首先调整视角，并使用同步工具Synchronize，可以保证多个结果同时显示时，视线与角度完全一致。

图26

26、左侧结构树中点击Case Comparison，并点击下方Apply。可以在多个算例间进行结果的比较。

图27

27、点击location，并选择plane工具，新建x=0时的YZ平面，并命名为Plane 1。随后建立云图Contour，该云图的位置选择Plane 1，变量选择温度Temperature，点击Apply。此时可以显示不同工况下的剖面温度云图对比情况。

图28

28、CFD Post中还可以进行定量数据的对比，如芯片上的最大温度。方法是在计算器Calculator中选择Function Calculator，并在下方的菜单栏中依次选择Maxval，solid_heatsource，All cases，Temperature。则可以得到两个工况最大温度的对比情况以及差值。

图29

以上就是关于芯片散热问题的详细操作步骤。