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
12 芯片热功耗趋势122
13 附录123
13.1 Electronics Cooling Magazine Technical Data123
13.2 螺钉应力和扭矩124
14 封装术语 125
15 风扇 130
12 芯片热功耗趋势
上图是CPU芯片的发展趋势。
13 附录：
13.1Electronics Cooling Magazine Technical Data
来源：Lasance C.: ECM, Nov (2004)
可以登陆到www.electronics-cooling.com，查看诸多Technical Data数据。
13.2螺钉应力和扭矩
来源：“Tabellenbuch Metall“.Verlag Europa Lehrmittel (1999)
14 封装术语
来源：Hitachi Semiconductor Package Data Book. ADE–410–001H, 9th Edition. March (2001)
为了更好的理解相关的封装术语，下面进行了更为详细的罗列：
来自：www.smta.org：电子封装术语
ASIC Application Specific Integrated Circuit
专用集成电路
BGA Ball Grid Array. A component whose terminations are on the bottom of the package, and are in the shape of solder balls and in a grid array pattern. This generally covers components that have them in a full array or in a partial array with “missing” balls in the center.
球形触点陈列，表面贴装型封装之一。在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以
代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI 芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。也称为凸点陈列载体(PAC)。引脚可超过200，是多引脚LSI 用的一种封装。
CBGA/CCGA Ceramic Ball Grid Array/Ceramic Column Grid Array. A grid array packaged component that has ceramic as the substrate of the package, and may have either solder balls or solder columns for connections.
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
互补型金属氧化物半导体
COB Chip-on-Board. A situation where the silicon IC chip is mounted directly to the electronic assembly substrate or PWB without an intermediate packaging step. Connections between the chip and the board are generally made with bond wired (also sometime called chip and wire), but the terminology is occasionally used for any chip connection technique such as flip chip (solderable bumps or tape automated bonding.
板上芯片封装，是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片交接贴装在印刷线路板上，芯片与基
板的电气连接用引线缝合方法实现，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，并用树脂覆盖以确保可靠性。虽然COB 是最简单的裸芯片贴装技术，但它的封装密度远不如TAB 和倒片焊技术。
CSP Chip Scale Package. Active, multi-I/O package that is no larger than 125% of the size of the silicon IC.
芯片级封装
DIL Dual In-Line. Component shape with two parallel rows of connection leads.
DIP 的别称(见DIP)。欧洲半导体厂家多用此名称。
DIP Dual In-Line Package. A popular through hole package with leads in rows on opposite sides of the package.
双列直插式封装。插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP 是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。引脚中心距2.54mm，引脚数从6 到64。封装宽度通常为15.2mm。有的把宽度为7.52mm和10.16mm 的封装分别称为skinny DIP 和slim DIP(窄体型DIP)。但多数情况下并不加区分，只简单地统称为DIP。
FCA Flip Chip Attach. The technique of attachment of an IC chip to a substrate using solderable bumps between the silicon chip and substrate.
FPT Fine Pitch Technology. The portion of surface mount technology that included components that typically have lead pitch, or center-to-center spacing, between 0.4mm and 0.8mm.
微间距技术
FP Flat Pack. A low profile IC package, which typically has gull wing type of leads on two or four sides.
扁平封装
FR-4 The most commonly used epoxy-fiberglass material standard for printed circuit boards. The “FR” refers to flame retardant.
由专用电子布浸以环氧酚醛树脂等材料经高温高压热压而成的板状层压制品。
IC Integrated Circuit. A small, complete circuit made by vacuum deposition and other techniques, usually on a silicon chip, and mounted in a package.
集成电路
JEDEC Joint Electronic Devices Engineering Council, a part of the Electronic Industries Association (EIA) that publishes specifications and standards for electronic components.
电子设备工业联合会
LCCC Leadless Ceramic Chip Carrier (or CLCC for Ceramic Leadless Chip Carrier). A hermetically sealed ceramic package that has pads (castellations) around its sides for solder connection in a surface mounting application.
无引线陶瓷芯片载体
LDCC Leaded Ceramic Chip Carrier. A hermetically sealed ceramic package that has leads around its sided for solder connection in a surface mounting application. Typically, thee packages have over 28 leads.
带引脚的陶瓷芯片载体
MCM Multichip Module. A circuit comprised of two or more silicon devices bonded directly to a substrate by wire bond, TAB, of flip chip.
多芯片组件
MELF Metal Electrode Face Bonding. A cylindrical leadless component with a round body and metals terminals on the ends.
金属电极表面接合
PBGA Plastic Ball Grid Array. A ball grid array component whose package substrate is made of plastic, most likely an FR-4 equivalent of epoxy-fiberglass, polyimidearramid, or similar resin-fiber combinations.
塑封球栅阵列型封装
PCB Printed Circuit Board. A part manufactured from a rigid base material upon which a completely processed printed circuit has been formed.
印制电路板
PGA Pad Grid Array. Similar to a pin grid array. An IC package that has solderable connections in a grid layout on the bottom of the package, and is soldered to the surface of the substrate (PWB) with butt solder joints.
陈列引脚封装。插装型封装之一，其底面的垂直引脚呈陈列状排列。封装基材基本上都采用多层陶瓷基板。在未专门表示出材料名称的情况下，多数为陶瓷PGA，用于高速大规模逻辑LSI 电路。成本较高。引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从64 到447 左右。为降低成本，封装基材可用玻璃环氧树脂印刷基板代替。也有64～256 引脚的塑料PGA。另外，还有一种引脚中心距为1.27mm 的短引脚表面贴装型PGA(碰焊PGA)。
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier. A plastic IC package for surface mounting applications that has leads, generally “J” leads, on all fours sides (sometimes given as PCC or PLDCC).
带引线的塑料芯片载体。表面贴装型封装之一。引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品。美国德克萨斯仪器公司首先在64k 位DRAM 和256kDRAM 中采用，现在已经普及用于逻辑LSI、DLD(或程逻辑器件)等电路。引脚中心距1.27mm，引脚数从18 到84。J 形引脚不易变形，比QFP 容易操作，但焊接后的外观检查较为困难。
PQFP Plastic Quad Flat Pack. An FP with leads on fours sides. Generally refers to a plastic quad flat package that is built to JEDC standards.
塑料四方扁平封装
QFP Quad Flat Pack. A FP with leads on four sides. Generally refers to a plastic quad flat package that is built to EIJ standards.
四侧引脚扁平封装。表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。基材有陶瓷、金属和塑料三种。从数量上看，塑料封装占绝大部分。当没有特别表示出材料时，多数情况为塑料QFP。
QSOP Quarter-Size Small Outline Package. An SO style IC package that has leads on a 25 mil pitch. The name derives from the fact that the package is approximately ½ the length and ½ the width of a standard SOIC, and thus a package of the same pin count occupies approximately ¼ the area on a PWB.
四分之一缩比小外廓封装
SIP Single-In-Line Package. An IC package or multi-component sub-assembly that has connections or leads in a single row on one side.
单列直插式封装
SO Small Outline. A package resembling a flat pack with leads on only two sides.
SOIC Small Outline Integrated Circuit. A plastic IC package for surface mounting applications that has leads on two opposite sides.
小块集成电路
SOJ A plastic IC package with “J” leads on two sides. It resembles a plastic DIP or an SOIC except for lead spacing and forming.
J 形引脚小外型封装。表面贴装型封装之一。引脚从封装两侧引出向下呈J 字形，故此得名。通常为塑料制品，多数用于DRAM 和SRAM 等存储器LSI 电路，但绝大部分是DRAM。用SOJ封装的DRAM 器件很多都装配在SIMM 上。引脚中心距1.27mm，引脚数从20 至40(见SIMM)。
SOL/SOW Small Outline-Large/Small Outline Wide. SO generally refers to a package thatis approximately 150 mils wide, while SOL/SOW refers to packages that are approximately 300 mils wide.
SOP VSOP/SSOP. Another designation for the small outline ICP packages, i.e. Small Outline Package (Very Small Outline Package, Shrink Small Outline Package)
SOP 除了用于存储器LSI 外，也广泛用于规模不太大的ASSP 等电路。在输入输出端子不超过10～40 的领域，SOP 是普及最广的表面贴装封装。引脚中心距1.27mm，引脚数从8～44。另外，引脚中心距小于1.27mm 的SOP 也称为SSOP；装配高度不到1.27mm 的SOP 也称为TSOP(见SSOP、TSOP)。还有一种带有散热片的SOP。
SOT Small Outline Transistor. A plastic leaded package for diodes and transistors used in surface mounting applications.
小外形晶体管
SPC Statistical Process Control. The use of statistical techniques to analyze a process or its output to determine any variation from a benchmark and to take appropriate action to restore statistical control, if required.
统计过程控制
SSOIC Shrink Small Outline IC. An SO style IC package that has leads on a 25 mil pitch.
超小轮廓封装
TBGA Tape Ball Grid Array. A ball grid array component package that uses TAB techniques to make the connections between the IC chip and the solder balls. This results in a solder ball grid array that is only around the periphery, and leaves compliant connections between the IC and the solder balls for better TCE reliability.
载带球栅阵列
VFP Very Fine Pitch. The center-to-center lead distance of surface mount packages that are between 0.012 inch and 0.020 inch.
VSOIC Very Small Outline IC. An SO style IC package that has leads with a pitch of 30 mils or less.
Sources Used:
“Understanding and Using Surface Mount and Fine Pitch Technology”, Charles Hutchins, 1995.
“Surface Mount Technology: Principles and Practice”, Ray Prasad, 1997.
“Surface Mount Technology Terms and Concepts”, Phil Zarrow and Debra Kopp, ITM, 1997.
15 风扇
许多高热流密度的电子封装系统都采用风扇进行强迫冷却。小的系统通常采用轴流风扇，其气流流动方向垂直于风扇叶片。而大的系统通常采用压头较高的离心风扇。
对于强迫冷却的系统在其设计阶段早期就要进行合理设计。为了使气流流经高热功耗元件以及为风扇提供足够的空间和电源，制定一个设计计划就显得非常重要。
在风扇选择时主要考虑以下几个方面：所需的气流流量、直流或交流、电压、转速、预期使用寿命、EMI\RFI、热功耗、自动再启动、噪音等。
设计一个强迫冷却系统的第一个阶段是估计所需风量。这个所需风量是由系统内热功耗和允许的最高温升所决定的。
在估计系统内热功耗时，需要考虑以后系统内有可能出现调整或出现额外的热源。因此，预计的热功耗应该是出现在系统最不利情况下。
去掉外壳后的系统
所需的空气流量可以通过计算或在图表获得。计算公式如下：
其中：
：所需的空气流量（）
：热功耗（）
：进出口的温升（℃）
例如：对于一个热功耗为2000，允许温升为℃的系统，其所需的空气流量大约为32cfm。
在下图中：垂直的坐标轴表示去除的热量，水平的坐标轴表示空气流量：这两个轴都采用对数坐标。其中的斜线为温升（℃）线。使用这个图表时，首先确定系统的允许温升，然后在图中找到相应的直线。然后根据系统所要去除的热功耗，来确定相应情况下所需的空气流量。
系统阻力特性
确定由安装在系统内的风扇实际产生的风量比计算所需风量要困难的多。空气流动路径上的阻碍物引起空气压力下降。下图显示了一个风扇压降与空气流量之间的关系。为了达到最大的空气流动，阻碍物所引起的阻力影响应该最小化。然而，为了引导气流更好的掠过高热功耗元件，某些场合需要采用挡板。当然，系统内热功耗元件也会阻碍空气流动。
轴流风扇流量与压降的关系
通过实验的方法可以精确的确定系统内风扇的空气流量，但这种方法耗时耗力。
实际上，可以采用经验的方法来估计空气流动阻力。具体如下：
一个空的系统，其空气流量一般减少％。
一个充满封装元件的系统，其空气流量可以减少％甚至更多。
绝大多数的电子系统其内部压降大约为：。
测量空气流动和静压
采用AMCA标准210双测试腔对流量和静压进行测量。
其中：
：空气流量＝
：喷嘴空气流动系数
：喷嘴直径（m）
：空气密度＝
：温度（℃）
：空气压力（mm Hg）
：空气流动压差（mm Aq）
：静压（mm Aq）
：9.8
最大静压和最大空气流量必须独立测量。
最大静压测量：当喷嘴（Nozzle）封闭，A静压腔中的压力达到最大。此刻为风机所能产生的最大静压。
最大空气流量测量：喷嘴（Nozzle）完全打开并且辅助风机启动使A静压腔中的。之后可以采用，和空气流量公式得出最大空气流量。
风扇工作点和系统阻力特性
风扇的工作点是风扇特性曲线和系统阻力特性曲线的交点。风扇特性曲线已经在前文中进行了解释。系统阻力特性是系统的固有特性，其描述了空气流经系统时所受的阻碍。下图描述系统内空气流动和静压降的关系。这一曲线可以通过对系统设定不同的流量来测量。
上图显示的风扇特性曲线只是风扇在最佳位置和风道中的特性曲线。否则，风扇特性曲线会发生变化，从而导致空气流量的减少。下图显示了风扇特性曲线由于物体遮挡而发生变化。这些计算是基于4715系列风扇。下图显示了距离入口风扇和出口风扇X in处物体对风扇特性曲线的影响。
下图显示了不同流量下，入口/出口风扇面积与压降之间的关系。
风扇选择
通过确定的空气流量，你可以选择一个具体的风扇。首先考虑采用AC还是DC风扇。在过去由于DC风扇价格较高而多采用AC风扇。现在这两者之间的价格差异已经不存在，而且DC风扇突出的优点使它被更多地采用。首先DC风扇地使用寿命比较长。另外DC风扇与AC风扇相比电源消耗要少左右。根据工业专家表示：风扇温度升高10℃，其使用寿命要减少20，000个小时。
另外DC风扇地转速与电压成线性关系，所以它可以运行在指定地转速下。然而，风扇运行在最大转速以下可以减少噪音和功耗。
除此之外，DC风扇比AC风扇有更低地EMI和RFI。所以现在DC风扇使用更为广泛。下面提及一些DC风扇的注意点。
许多DC风扇会有12V和24V两个型号，建议采用高电压的风扇。这主要是因为其电流相对而言更低而且风扇产生的热功耗也小。
DC风扇的噪音频率和量级随着转速提高而增大。如果可能，尽量选用低速的马达来减小噪音。
当获得系统所需的空气流量和静压后，通过使用风扇制造商提供的风扇特性曲线可以获得足够的制冷量。但这个风扇特性曲线使用时候需要注意。通常制造商提供的风扇特性曲线不会注明是处于名义状态下或最不利状态下。风扇特性曲线通常会在其名义特性曲线10％内波动。
有时会错误的选用自由空气（风扇无遮挡）状态下的特性曲线。需要注意的是真实机箱内部是不存在自由空气的。
噪音对制冷没有影响，但对系统和用户很重要。应该尽可能的选用安静的风扇，或者采用某些技术来降低风扇的噪音。
使用更大的风扇可以减少噪音。对于某个具体的空气流量，采用更大的风扇可以降低风扇转速，由此可以减小噪音。
正如先前所提到的，DC风扇比AC风扇产生更少的EMI和RFI。对于常用的风扇而言，其产生的EMI和RFI不是问题。当系统对干扰敏感时需要考虑此类问题。
风扇使用寿命
轴承是风扇使用寿命的主要影响因数。风扇制造商使用的轴承都比较类似，所以不同厂商之间的风扇使用寿命差异并不大。绝大多数制造商认定风扇的使用寿命为50，000小时，假设每个星期工作40小时，折合下来可以使用25年。因此，风扇的使用寿命很可能超出设备的使用寿命。正如前面所述，风机的使用寿命与它的温升有很大关系。
UL要求风扇能经受转子锁死72个小时（直流风机15天）而不造成任何破坏和过热。并且当去除锁死转子的装置后，风扇可以正常的运行。
入口或者出口风扇
设计工程师可以选择一个入口或出口风扇。理论上两者所需要的空气流量是一样的。然而，在实际应用中两者各有其优缺点。空气被抽入风扇时是层流，可以在系统内形成比较均匀的流动。这可以很好的避免空气滞留和出现热点。风扇出来时的气流是湍流。在相同体积流量下，湍流流动可以比层流流动带走更多的热量。仔细地设计系统内风道非常重要。注意不要产生气流短路。如果出现气流短路，可能会有90％以上地气流损失。采用挡板是消除气流短路常用地方法。另外，应尽可能地降低空气流道内的阻力。
高热耗元件应该置于空气直接流经的位置上。不宜在小元件前放置大元件，因为大元件可能会遮挡气流。必要的时候可以使用挡板来引导空气流动。
出口风扇缺点是在系统内产生负压，所以灰尘等会进入到系统内。当系统内对灰尘有一定限制时，建议采用入口风扇。在这种情况下，可以在入口风扇的前部加装一个过滤网。因此不会将环境中的灰尘吸入到系统内。过滤网也要定期的清洗，从而避免其上出现灰尘的积聚。灰尘的积聚可能严重的限制气流流动，从而提供系统内的温度。
另外入口风扇所产生的热功耗可能会使进入系统的空气温度略微提高。这可能会降低空气的冷却能力。同样的原因，对于最重要的冷却元件应该置于空气的入口处。高温的元件应该置于空气的出口处。
在很多应用场合使用入口风扇而不是出口风扇，这主要是因为入口风扇的使用寿命更长。出口风扇的轴承温度可以比入口风扇的轴承温度高25℃。降低风扇轴承的温度可以大大延长风扇的使用寿命，具体可以参见NMB的Fan Warranty Statement和Fan Life De-rating Curve。
噪音
大多数的设计工程师都被要求尽量减小风扇噪声来满足用户的要求。目前的趋势是系统越来越小，热功耗越来越大。这两方面的原因造成空气流量需求更大，从而加剧了风扇噪音。
风扇噪音有若干个因素造成，其中一些因素是可以由系统设计工程师所控制的，而另外一些则由制造商所决定。空气动力学噪音是由风扇叶片产生的湍流所造成。这个噪音中占主导的因素是叶片通过频率。可以通过减小马达转速、叶片数、支撑数来降低由此产生的噪音。然而，风扇需要一个确定的转速和叶片数来产生所需的空气流量。同时，风扇也需要确定的支撑数来提高强度。
机械噪音是由轴承或非平衡旋转元件震动所引起。如果这个震动的频率和系统内其它频率发生共振，则噪音的强度会变大。另外马达也会产生噪音，但其产生的噪音在系统内影响很小。
几乎所有产生噪音的器件都是不能变化的，系统设计工程师几何没有太大的调整余地。然而，系统内还是有一些噪音方面的细节值得注意。
1.避免在接近风扇的高空气流速处放置障碍物。
2.使用震动隔离来避免风扇机械噪音进入到系统中。
3.加强结构强度避免出现共振现象。
4.将风扇安装在机箱的内表面而不是在外表面。
5.物体放置在风扇进风处比放置在风扇出口处噪音更大。
系统设计工程师应该仔细比较不同厂商之间的风机噪音。尽管已经出现了一个标准的噪音测量方法，但是目前还难以为制造商和用户所接受。这个方法就是ANSI 12.11。
多个风扇的使用
尽管你已经很努力了，但当设计完成之后，突然系统使用的环境有所提高，这就需要增加系统制冷能力。为了做到这一点，你可以在设计之初选择一个低风量的风扇。如果以后制冷量有所提高，可以采用一个风量更高的风扇替代之前的风扇。
当使用更大尺寸风扇无法满足额外的制冷量要求时，可以采用以下措施，具体如下：
1.提高系统内的空气流量
2.从新设计一个系统，以便使用更大的风扇
3.修改系统，使用两个或更多的风扇并联。
4.修改系统，使用两个或更多的风扇串连。
很多情况下，仅仅通过改善系统内气流流动和修改风道位置及尺寸无法满足额外的制冷量。如果你不能通过改善系统内气流流动来满足情况，你可以通过修改系统来安装更大的风扇。但很多时候这是不可能的。如果采用一个风扇不能达到要求，而空间没有限制的情况下，我们可以采用多个风扇。
在很多情况下，增加风扇可以改善系统内的气流分布。另外多个风扇也可以增加系统的可靠性。
增加风扇也可能会产生一些其它问题，诸如：费用、噪音、风扇的热功耗。
两个并联风扇的理想性能
两个并联风扇只有在自由空气状态下风量才是单一风扇时两倍。如果系统的静压比较高，则两个风扇并联产生的效果很有限。两个串连风扇只有在流速为0时，静压才是单一风扇时两倍，并且风扇串连是不增加空气流量。在系统低静压情况下采用两个风扇并联可以提高系统内空气流量。在系统高静压情况下采用串连风扇可以提高系统内静压。
增加风扇后产生的热功耗不能忽略。在某些极端的情况下，由于增加风扇所产生的热功耗甚至超过了其提供的制冷量。
