使用Flotherm电散热仿真物理学原理 第1章：导热

2. 不同材料平面之间的接触热阻

接触热交换系数随接触压力变化

3. 晶体管的

来源：Sawle,
A., Woodworth, R.,"Klemmen statt schrauben". Elektronik Praxis
Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgung Juni (1999)

表面贴装式晶体管的接触热阻是接触压力的函数

另外在采用上图进行计算的时候，要考虑面积的大小。

4. 铝和陶瓷材料的接触热阻

来源：Yovanovich,M.M.,
Culham,J.R., Teerstra,P.: "Calculating interface resistance".
Electronics Cooling Magazine 3(2), 24-26 (1997)

可以在以下站点获取更多有关接触热阻的数据：http://www.mhtl.uwaterloo.ca

5. 实际工作中的常用值

来源：W.
Schrauf and H. Berger, Ericsson, D-Backnang. private communication

在电信产品应用领域的普通螺钉安装情况下，金属板的常用热阻值为：

也就是：面积上有的热阻，对于粗糙的金属而言这一值大约为。在使用了常用的导热硅脂之后这一值减小为：

在使用液体金属脂之后这一值减小为：

1.3.3
导热界面材料

1. 来源：Vanessa
Saudemont. www.flomerics.com/support
-> How to model thermal resistance (2003)

材料表面之间的接触性能可以通过使用导热界面材料来提高：注入氧化铝的硅脂（可以填充空气隙）、相变材料（在达到相变温度之后会变成粘性液体）、导热复合物或弹性粘结（需要足够的压力来减小表面之间的缝隙）。使用导热界面材料并且施加足够的接触压力，可以有效的减少接触热阻。下图显示了三种导热界面材料（硅、石墨油、floroether oil）,导热硅脂、直接接触五种情况下接触压力和热阻的关系。

选择的导热界面材料的热性能（1 psi = 6.894756.103 Pa），来自PC745B datasheet @ http://www.atmel.com (注意单位)。

2. 来源：W. Pohl, J.
Schmidt, E. Nagy: “In strong contact”, Power Electronics Europe, … (2007)

注意：时刻牢记一层导热界面材料（TIM）的总热阻有三部分组成。导热界面材料自身所产生的热阻（与厚度和热导率有关），以及与两侧材料的接触热阻。后两项不应该予以忽略，因为仅仅在数据表（Data Sheets）中考虑材料的热导率时，剔除了后两项会造成数据错误。制造商所提供的数据表中应该包括一个总的热阻，否则会在使用时造成一定的误差。总的热阻在某些时候可以称为热阻抗。

通过将导热界面材料的厚度取为0，可以得到导热界面材料与两侧材料的接触热阻

3. 来源：C.
Lasance: “Problems with Thermal Interface Material Measurements: Suggestions
for Improvement”. ECM 9(4)  (2003)

对于柔软的导热界面材料（TIM）还会出现其热阻随压力变化的特性。下图显示了热阻随着压力增加或减小的变化情况。

柔软的导热界面材料随压力变化的情况

1.3.4
使用Flotherm中的Cuboid来模拟接触热阻

通过设置一个确定的Cuboid可以模拟接触热阻，可以是采用压缩（Collapsed）的Cuboid或者是不压缩的Cuboid。这个方法的优点在于可以直观的看到Flotherm模型树中的TIM物体，这个方法的缺点是不得不进行一些计算来获得。

1.
压缩块（Collapsed
Cuboid）：假设导热界面材料的厚度为并且材料的热导率为，那么这个热阻或者热阻抗为：

或

注意：在Flotherm的模型树中，压缩块（Collapsed Cuboid）必须处于两个Cuboid的下方，这样压缩块才能覆盖Cuboid1和Cuboid2面上的网格特性。

使用了一个压缩块来模拟导热界面材料

注意：当在求解（Solver）选项中开启了平面导热（Plate Conduction），则压缩块的温度将在表格（Tables）窗口中显示。

2.
非压缩块（Non-collapsed
cuboid）：优点可以直接从data
sheet采用厚度、热导率、接触热阻等信息。在很薄的厚度内会产生一系列的网格。其在Flotherm模型树中的位置没有要求。不建议采用。

通过一个非压缩块来模拟导热界面材料

采用非压缩块方式模拟TIM或者接触热阻比较直观。但是下面这种方法却没有这个优点。

1.3.5
Flotherm中模拟接触热阻的另一类方法：通过表面特性

可以通过贴赋一个表面特性（Surface
Attribute）到某个块（Cuboid）的表面来构建一个表面热阻。创建一个表面特性并且以一个比较直观的名称命名，诸如：“Rsurf－solid”。

这种方式的优点在于不需要具体的计算，缺点在于无法在Flotherm的模型树中直观的看到。

建议：我们建议采用“Chip＋RsurfTIM”等类似比较直观的表面特性名称，这样有助于知道存在接触热阻。

注意：贴赋表面特性时候，采用的是物体自身的坐标系。

贴赋表面特性到所选择面的Cuboid/Surface对话框

实例1：PCB板和元件（Board－Component）的接触热阻

·
Component cuboid

·
Air gap filler : cuboid 2D or
“Rsurf-solid”

·
Board cuboid

这个空气隙可以通过使用元件Z-low表面被贴赋“Rsurf-solid”表面特性或者一个Z方向的压缩块来模拟。

实例2：PCB板和元件在考虑板子涂层时候的接触热阻

• Component
• Air gap filler : cuboid 2D or “Rsurf-solid” on Component
  Z-Low
• Board coating : “Rsurf-solid”and “Rsurf-fluid” on Z-High
• Board

正如先前所描述的，应用在物体表面上的“Rsurf-solid”将会在物体与其它物体接触的区域形成一个接触热阻。“Rsurf-Solid”会在板子和元件之间形成一个热阻，但不会在板子和空气之间形成热阻。

注意：压缩块（Collapsed
Cuboids）的表面特性也可以进行设置。

1.3.6
Rsurf-solid的重叠

外表面接触：

注意：表面特性叠加，也就是左侧Cuboid的Rsurf-solid和右侧Cuboid的Rsurf-solid进行相加。

侧面接触：

注意：表面特性不是进行叠加，而是有优先原则。

内部接触

通常情况下是不需要物体表面特性。

1.3.7
Solid-Fluid 热阻

举例：如果计算材料和空气的热阻时，要考虑材料涂层的影响，那么在Flotherm中可以对材料贴赋表面特性来解决。创建一个表面特性并且为“Rsurf-fluid”命名一个直观的名称，诸如：

其中是涂层的厚度，是涂层的热导率。

应用在物体表面上的“Rsurf-fluid”将会在物体与流体接触的区域形成热阻，对于物体和物体之间不会产生作用。

注意：正如先前所说的，贴赋表面特性时候，采用的是物体自身的坐标系。

实例：在实际情况中是否有必要考虑表面涂层的影响？让我们来分析一个正交异性热导率的PCB板，这个PCB板采用非压缩块进行模拟（参见下图）。一层很薄的涂层（厚度dsm=50 mm，热导率ksm=0.2 W/m K）分布在表面上。PCB板通过辐射和自然对流向外散发热量，所以PCB板和空气之间的热交换系数大约为。所以通过计算可以得到涂层的热阻为，PCB和空气之间热交换的热阻为。由此可以得到PCB板和空气之间的总热阻为：。经过分析可以发现，涂层产生的热阻影响完全可以忽略。同样这也适用于一些诸如：外壳和散热器的涂层。

然而，涂层可以排除微小缝隙的空气，并且可以作为小热源的微型散热器。一些制造商称之为：“printed heat sinks”(cf.  www.peters.de)。下图显示了一块通过自然对流和辐射散热的板内阵列了，总计200个小热源（每个）。

有涂层之后对200个微小热源散热的影响，左图无涂层，右图有厚，为的涂层。很明显，采用涂层之后温度大约下降了3℃。