結(jié)構(gòu)函數(shù)--熱測(cè)量與熱仿真之間的橋梁

 傳統(tǒng)上，電子元器件的熱測(cè)試是通過熱電偶完成的。然而，使用熱電偶存在的一些嚴(yán)重缺陷（例如被測(cè)器件與探針之間的接觸熱阻使得測(cè)量得到的結(jié)果極不穩(wěn)定，并且熱電偶還具有將熱量傳離被測(cè)器件表面的趨勢(shì)）導(dǎo)致它們?cè)跍y(cè)量塑料封裝的表面溫度時(shí)幾乎毫無用處。

 當(dāng)前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過確認(rèn)熱學(xué)界面材料(TIM)層的材料屬性和厚度來驗(yàn)證熱學(xué)模型，以確保產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性能的需求日益增多。使用熱電偶的主要問題在于，它們根本無法測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度。而依據(jù)設(shè)計(jì)，主要的熱流路徑是從結(jié)點(diǎn)開始，經(jīng)過多種材料和材料界面，最后傳遞到PCB或散熱器中，PCB或散熱器的溫度可以方便的測(cè)量。即便在這種情況下，熱電偶仍舊只能提供單一溫度數(shù)值。因此在涉及到熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，熱電偶作為一個(gè)“感覺遲鈍的儀器”就完全派不上用場(chǎng)。

 在本文中，我們將介紹熱學(xué)結(jié)構(gòu)分析方法，該方法基于瞬態(tài)熱測(cè)試技術(shù)，可將系統(tǒng)的熱特性（包括熱擴(kuò)散）表征為分布式熱阻-熱容(RC)網(wǎng)絡(luò)。通過測(cè)量結(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，我們可以容易地觀察封裝、電路板、TIM和散熱器等內(nèi)部的熱流擴(kuò)散路徑。

 1、真實(shí)世界中熱分析面臨的挑戰(zhàn)

 研究熱學(xué)結(jié)構(gòu)的最佳方式是查看沿?zé)崃鲾U(kuò)散路徑的等溫線分布或熱通量分布。然而，在真實(shí)世界中，拍攝任何固體物體內(nèi)部的熱分布照片是不可能的。使用本文中所用的FloTHERM等仿真軟件是查看熱通量分布的唯一方法。根據(jù)理論，熱學(xué)系統(tǒng)為分布式RC系統(tǒng)，可根據(jù)熱阻Rth和熱容Cth為其建模。要評(píng)估RC系統(tǒng)，最常用的方法是測(cè)量階躍功率激勵(lì)下的瞬態(tài)響應(yīng)。有限元科技是Flotherm在中國(guó)的一級(jí)代理商，還代理多個(gè)國(guó)外正版CAE軟件，如需購(gòu)買軟件請(qǐng)聯(lián)系在線客服。

 思考圖1中的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。理想的隔熱材料可防止熱量向Y和Z方向逸散，而位于X軸右側(cè)的冷板則可提供理想的熱學(xué)邊界條件。在此設(shè)置中，熱通量將被限制在X軸，可視為沿X軸從左側(cè)熱源到右側(cè)冷板的一維熱擴(kuò)散路徑。

 熱學(xué)擴(kuò)散路徑上的Rth和Cth熱特性，決定了系統(tǒng)的階躍功率的響應(yīng)。理論上，我們可根據(jù)1995頒布的JEDECJESD51-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電學(xué)測(cè)試方法測(cè)量瞬態(tài)熱響應(yīng)，來對(duì)熱學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

 在實(shí)驗(yàn)中，我們將三種作為標(biāo)志的材料放在熱流路徑的中間。

 （1）與純銅相同。(Cu50W)

 （2）雙倍于純銅的比熱容

 (Cu50W_2xCth)

 （3）一半于銅的熱導(dǎo)率。

(Cu50W_2xRth)

 圖2繪制了階躍功率響應(yīng)與結(jié)構(gòu)函數(shù)。在溫度響應(yīng)視圖中，可以觀察到不同標(biāo)志材料所導(dǎo)致的差異，可是不夠清晰，而在結(jié)構(gòu)函數(shù)視圖中，則可以清晰地辨別結(jié)構(gòu)性的信息（如圖3所示）。

 2、更貼近真實(shí)PCB電路板應(yīng)用的案例分析

 真實(shí)世界中的案例，（例如安裝在PCB電路板上的封裝），如圖4所示，熱擴(kuò)散不僅發(fā)生在垂直方向上，還發(fā)生在水平方向上。

 熱源（硅芯片）被粘貼在金屬（銅）基板上，7zhuan.cn然后再固定到FR4電路板上。為簡(jiǎn)單起見，將每種材料構(gòu)造為一個(gè)立方體，并且不考慮接觸熱阻。

 在結(jié)構(gòu)函數(shù)中，在初始部分可以看到0~0.4K/W區(qū)間的直線部分。此直線源自芯片內(nèi)部近乎一維的熱流（如圖5所示）。這是因?yàn)楣栊酒獠康目諝庀鄬?duì)于硅具有大得多的熱阻，因此，正如我們?cè)谇耙徊糠钟懻摰哪菢?，熱量被迫沿硅的厚度擴(kuò)散。在超過0.4K/W后，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線呈指數(shù)級(jí)上升，這是由于金屬基板中的三維熱擴(kuò)散所致（如圖6所示）。

同理，0.8K/W~1.2K/W區(qū)間的結(jié)構(gòu)函數(shù)還表明了銅塊中的熱擴(kuò)散，并且結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線呈現(xiàn)不斷增大的斜率。在1.2K/W之后，我們觀察到曲線斜率開始下降。這是由于金屬基板的物理邊界所致。

 3、結(jié)論

 傳統(tǒng)上，在進(jìn)行熱分析時(shí)，CFD仿真軟件中構(gòu)建的熱模型包含成千上萬條數(shù)據(jù)。7zhuan.cn用戶面臨的挑戰(zhàn)是如何驗(yàn)證模型的正確性。由于結(jié)構(gòu)函數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)和仿真方法獲取，因此我們現(xiàn)在能夠通過比較封裝熱學(xué)模型與真實(shí)封裝的結(jié)構(gòu)函數(shù)，來根據(jù)真實(shí)封裝數(shù)據(jù)驗(yàn)證封裝熱學(xué)模型。如果存在任何不匹配，使用封裝模型，我們可以容易地識(shí)別和解決問題，從而提高了任何電路板級(jí)別或系統(tǒng)級(jí)模型的精確度。由于結(jié)構(gòu)函數(shù)可跟蹤從芯片結(jié)點(diǎn)到最終環(huán)境的熱流路徑，因此也可在后期設(shè)計(jì)中將該技術(shù)應(yīng)用于電路板級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)模型，在將電子產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)之前對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)。

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