使用Flotherm电散热仿真物理学原理 目录及下载
使用Flotherm电散热仿真物理学原理 第1章：导热
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第2章：对流热交换
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第3章：辐射
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第4章：环境条件
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第5章：其它物理学方面
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第6章：PCB板仿真
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第7章：元件和元件仿真
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第8章：打孔板处压降
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第9章：风扇
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第10章：散热器
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第11章：机箱
使用Flotherm散热仿真物理学原理 第12-15章：芯片热功耗趋势/附录/封装术语/风扇
第7章：元件和元件仿真
7.1 散热方式和热阻74
7.2 封装热阻75
7.2.1 LSI 75
7.2.2 Infineon 76
7.3 分立封装77
7.3.1 晶体管 77
7.4 封装仿真FLOPACK79
7.4.1 初级精度：块（Lumped）元件 79
7.4.2 中级仿真：双热阻模型 81
7.4.3 高级精度：DELPHI模型 81
7.4.4 General networks热阻模型 83
7.4.5 详细模型 85
7.5 LED仿真86
7.5.1 Osram 86
7.5.2 Avago 89
7 元件和元件仿真
来源：Fairchild Semiconductors. Li, A., Brij,M., Sapp,S., Bencuya,I., Hong,L: „Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs“ [SOT223_MOS_AN-1028.pdf]. (1996)
Fairchild Semiconductors. R. Locher: „Introduction to Power MOSFETs and their Applications” [Intro_MOS_AN-558.pdf]. (1998)
Hitachi Semiconductor Package Data Book. ADE–410–001H, 9th Edition. March (2001)
LSI Logic: Package Selector Guide (1994-1995)
Infineon AG: Thermische Eigenschaften von Halbleiter-Gehäusen. Themenbuch 07.99 (1999a). Bestellnr. B192-H6805-G1-X-7400
Infineon AG: Addendum zu thermischen Eigenschaften von Halbleiter-Gehäusen. Themenbuch 07.99 (1999b). Bestellnr. B192-H6805-G1-A1-7400
Infineon AG: SMD Packages. Thermal Resistance – Theory and Practice. Special Subject Book January 2000 (2000). http://www.infineon.com//upload/Document/cmc_upload/migrated_files/document_files/Package/smdpack.PDF
Shidore, S., Sahrapour, A.: „DELPHI compact models revolutionize thermal design”. www.flotherm.com ¦ Technical Papers ¦ T287 (2001)
7.1 散热方式和热阻
硅芯片上的热量分布与内部几何状况和所用材料有关。
DIP封装内部主要散热路径(Infineon, 1999a)和内部结构(Hitachi, 2001)
元件外形尺寸和线路位置是标准化的。不同生产厂商之间的元件内部结构、材料和线路技术是不相同的，所以它们的热特性也存在差异。
元件的生产厂商不公开元件内部的详细结构数据。通过一些其它的方法来计算芯片内部的温度。Datasheet中仅仅提供了少数的相关数据，诸如：热阻J-C(Junction-case)和J-A（Junction-Ambient）。考虑到一个生产线的容许误差，所以生产商提供的J-C和J-A在内波动。
温度对元件的性能影响很大，硅芯片的温度（结温）可以通过元件表面温度以及下式来确定（实际的情况可能更复杂）：
P为元件总的热功耗，不考虑热量的旁逸。
建议：如果散热路径是单一的散热器或者板子，则可以使用或。
有时还会给出热阻（Junction-Ambient），这是结点到环境的热阻。如果我们进行一个详细的实验，可以很容易发现对于相同材料的元件其不一定相等。当元件处于铜板比处于FR4或其它材料上时，可以得到更低的温度和不同的热阻。元件周围的情况对元件的温度有着很大的影响。但我们很少的元件周边情况的详细描述。
7.2 封装热阻
缺7.2.1 2R for IBM Power PC
7.2.1LSI
不存在一个固定的封装热阻值，一般元件的几何表面越大，其结温越低。
一些封装形式的典型值（LSI，1995）
Plastic Quad Flat Pack (PQFP).
Surface Mount (SMD) Gehäuse.
Gullwing Anschlüsse.
Fig. 0‑1: Thermische Widerstände der PQFP-Familie von LSI (LSI, 1995). 200 lfpm=1 m/s. Je größer der Footprint, desto kleiner R.
7.2.2 Infineon
Infineon对半导体封装进行了系统的整理。详细的研究了封装热阻和标准化封装，但其中不包括BGA’s封装。
Infineon几何模型(Infineon, 1999a) 通过下表可以对热阻进行粗略的估计
Abhängigkeit der Wärmewiderstände für das DIP-16 Gehäuse von der links: Verlustleistung, mitte: natürlichen Konvektion, rechts: Luftgeschwindigkeit bei erzw. Konvektion (Infineon, 1999b)
对于DIP-16封装热阻随热功耗、自然对流与否等情况的。
7.3 分立封装
7.3.1晶体管
下图是Fairchild半导体器件
右上表格是分立封装器件（晶体管）的常用热阻值，在使用时注意热阻的测量环境。
一般元件尺寸越小，其热阻值越高。注意的值也不是一个常数。
一个SMD型晶体管SOT223的内部结构、散热途径以及与表面的PCB的连接方式
对于不同类型封装的值，元件越大其热阻越小。
7.4 封装仿真FLOPACK
7.4.1初级精度：块（Lumped）元件
最为简单的元件建模是采用一个具有材料特性和内部热量均匀分布的块（Cuboid）。这就是PCB简化模型中的独立实体元件（discrete solid component）。对于塑料元件的热导率为，陶瓷元件的热导率为。不需要定义和。
来源：Schrammek, M.: „Wärmeabfuhr in elektronischen Geräten bei Luftkühlung und freier Konvektion“. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 9 Nr. 73. VDI Verlag, Düsseldorf(1987)
Schrammek采用温度测量仪对很多种PCB板子进行了测量。仿真中使用的是标准的欧洲板子（，FR4，5x6 DIL 元件）和垂直自然对流。下d图显示仿真数据与实测数据很好的吻合。
（a） 实测PCB（Schrammek，1987）（b）仿真计算温度分布（c）PCB表面流动情况（d）不同热功耗情况下，实测和仿真数据比较
下图显示了不同（1～15）和（）组合情况下元件的温度。只要热流分布均匀，元件的特性对结果的影响不是特别大。
上图中方块是元件底部中央的温度、菱形元件中心温度、三角形为顶部中央温度
Schrammek测试板上元件温度随元件热导率的变化。30个元件总热功耗10。
当我们只留下板子中心的那个元件。下图显示了不同和组合的元件温度。从上到下分别是。。对于各类PCB板而言，块（Lumped）元件的热导率在平均值的大约12％波动。
测试板上只有一个元件
7.4.2中级仿真：双热阻模型
这类PCB板子上的元件内部有一个虚拟的芯片结。结与上下表面的热阻分别为：和。元件的热导率可以设为对于瞬态分析要设置密度和比热，其比热大约为。
如果无法从Data Sheets获取相应的数据，可以从www.flopack.com或者www.smartparts3d.com上获取相关的值。
由Flopack PQFP的双热阻模型计算数据
测试结果表明在相同的环境条件下（板子、自然对流）双热阻模型与详细模型的偏差大约在。双热阻模型太过于简单，所以不能适用于所有的场合。实际上或不是基于到板子或外壳的热流，而是基于总热流。
PQFP-208的结温（℃）在不同模型和条件下的比较(Shidore and Sahrapour, 2001)。
7.4.3高级精度：DELPHI模型
来源：www.flopack.com -> Help www.jedec.org
Shidore, S., Sahrapour, A.: „DELPHI compact models revolutionize thermal design”. www.flotherm.com ¦ Technical Papers ¦ T287 (2001)
为了减小双热阻模型的误差，并且避免热阻受到环境条件的影响。自从1990起，Flotherm依据JEDEC的标准创建了一种更为精确的热阻，称之为DELPHI热阻。现在这个热阻已经由JEDEC-51进行了标准化。可以在Data Sheet中找到相应的热阻数据。同时也可以通过FLOPACK DELPHI网络程序生成。在不同条件下的热阻模型由数字来描述。
默认的PQFP元件网络DELPHI模型
JEDEC测量：也就是自然对流测量环境
注意：下载获取的Delphi元件模型作为简化元件模型（Compact Component）
注意：简化元件模型没有热质量，所以不能用于瞬态研究。
注意：简化元件模型仅仅可以用于Symmetric封装（也就是，不是TO）
下载得到的Xilinx Virtex-4 封装DELPHI模型结果
7.4.4General networks热阻模型
来源：“Thermal Characterization of Optocouplers”http://www.vishay.com/docs/81257/81257.pdf(2006)
http://www.flomerics.com/flotherm/news/news_details.jsp?newsId=399:“The first Vishay optocoupler products available with the detailed thermal characteristics are the 60-V VO1400AEFT2 SSR, the 0.5-A VO3150 IGBT driver, the 1.5 k-V/us VO3063 and VO3062 and 5-kV/us VO4154, VO4156, VO4157, and VO4158 zero-crossing phototriacs; and the 5-kV/us VO4254, VO4256, VO4257, and VO4258 non-zero-crossing phototriacs.
这些新的热方面参数可以使设计人员对光耦合器和SSR装置更好的进行仿真。Vishay对其使用Flotherm的客户提供了一些简化的模型和Flotherm模型。
Vishay的VO3150（右）热网络模型和详细的Flotherm模型（Vishay，2006）
下图是对应的网络模型和几何数据。
VO3150光耦合网络模型和按照Data Sheet输入的数据。右图：几何描述。Terminating case节点和board node节点是压缩的，emitter和detector节点是3D。
自然对流和等向导热板情况下的计算数据：
建议：terminating到board和case的节点（外部节点）必须压缩。
7.4.5详细模型
可以通过登陆到FLOPACK获取详细的模型。目前有26种模型类型，并且都具有默认的值。每一个详细模型都有10～50个不同材料的物体构成。因此在仿真过程中会增加一些网格，同时计算的时间会稍微多一点。
当前有以下各类封装模型。
具体内容可以登陆到www.flopack.com
NXP半导体晶体管详细模型和FLOPACK默认封装模型可以在以下站点获取：www.smartparts3D.com
使用FLOPACK进行参数化生成芯片模型
7.5 LED仿真
LED（发光二极管）朝着板子有单向性的热流通路。使用Data Sheet数据，或节点到焊料垫的热阻必须给出。
7.5.1Osram
应用例子：
Golden Dragon: http://catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00036578_0.pdf
SMT LEDs (TOPLED): http://catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00017064_0.pdf
OSTAR:http://catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00035023_0.pdf
以下是TOPLED模型相关的Data Sheet 信息
· 2R-Network Parameter: QJunction-Top=1010 K/W, QJunction-PCB=130 K/W
· Size of the 2R-Component = 3 x 3.4 x 2.1 mm
· Size of Solder Pad (heat spreader) = 4*16 mm² = 64 mm² = 6.6 mm x 9.7 mm x 35 mm
TOPLED应用信息LED模型必须包括一块PCB板和一个焊料垫（用于散热）。LED本身是一个元件。
Minimum gridding: 5 mm system grid + 2 mm grid constraint on surrounding localized Region. The extra region extends by about 2 mm the solder pad.
10 mm radiation subdivision on PCB, 2 mm subdivision of Solder Pad
Standard FR4 and 300 W/m K copper with emissivity=0.9 (solder mask)
结果：
=58 °C计算: 25 °C + 0.1 W * 300 K/W = 55 °C
= 45 °C 计算: 58 °C – 0.1 W * 130 K/W = 45 °C
（焊料块采用的是双热阻模型）
改变网格疏密和材料常用范围内的数据可以使结温变化2K或。焊料垫的尺寸决定了LED的结温。
7.5.2Avago
来源：Oon Siang Ling: “Thermal Modeling for Application of High Power LED”. Solid-State Illumination Division, Avago Technologies, Penang, Malaysia. White Paper AV01-0615EN - November 2, (2006). www.avagotech.com
