使用FloTHERM找出电子设计中的散热障碍和散热捷径

中心议题：
    * 找出电子设计中的散热障碍和散热捷径
解决方案：
    * FloTHERM方案

找出电子设计中的散热障碍和散热捷径: 明导公司的 FloTHERM 是电子行业垂直市场领先的CFD散热分析解决方案。

FloTHERM V9版本添加了创新的后处理技术，开启了热分析的一个新境界，帮助工程师理解为什么一个设计会过热。两个新研发的定量方法和显示技术协助 FloTHERM V9 用户将他们的设计中关键的，在过去是抽象的热特征形象化：

*散热障碍 (Bn)：明确高温气流的流动路径，同时又显示气流对热量的排斥。
*散热捷径 (Sc)：显示其他可选用的、更有效的热流路径；换言之，更快到达冷却区域的捷径。

最后，Bn和Sc值帮助工程师理解哪些热量已经扩散到系统外，从而使他们能重新设计热通量分布规划，提高性能。到目前为止，还没有方法，能明确一个设计的散热障碍和散热捷径机会。而按照Bn和Sc数据所做的设计修正，形成的新设计，不仅能明确散热障碍，而且也能越过这些障碍。

解释数学原理:

通过指定横截面区域的热流即热通量（Heat Flux）。热通量矢量总是和温度梯度矢量一起。这两个术语在FloTHERM这类CFD热分析工具中的作用，就好像股票市场上的股票。本质上，它们的相互作用代表着热阻指数。在一个给定的热通量值中，梯度温度越高，热阻越大。同时，这两个矢量值与FloTHERM分析相关，也是支持自然对流情况下散热分布的参数。


图1 中，热通量矢量(Heat Flux Vector) 箭头的长度代表热通量，同样，温度梯度矢量(Temperature Gradient Vector) 箭头的长度代表温度梯度。本图中这两个矢量关系与真实情况相差很远，只是为了方面解释CFD分析背后的数学原理。

散热障碍值是两个矢量相交点。如图1 所示，在空间内的每一点，当热通量矢量和温度梯度矢量同时到达该点时，在该点, Bn标量值就可以计算出来。假设两个矢量处于理想位置（在现实中很不可能有这样的情况），Cos (θ) (角度余弦) = 1, Bn值就正好是矢量值。Bn和Sc值的单位是WdegC/m3 (瓦摄氏度/立方米)

Bn = Heat flux magnitude × Temperature gradient magnitude × sting bottlenecks.

高Bn值说明，大量的热量试图穿过大的热阻。毋庸置疑，这些就是散热“障碍”，而且它们通常还与高温度梯度共存。

任意点捷径值的标量是热通量和温度梯度矢量的正交值。Sc数值大，说明区域内的热量没有直接向温度更低的区域移动。这些区域是创建新的传热路径的区域。

现实结果:


图: 电路板上的Sc值分布云图（不是温度云图）。红色区域说明的是改进散热路径最佳的机会所在。
图2 说明Sc的概念。从温度分布的立场来观察这个电路板，BGA设备的高温区域可能会被标注上代表“过热”的颜色，通常是桔色或红色。但是图2 并不是热分布云图。它显示的是Sc值，因此红色区域代表的不是温度，而是一个区域，如果创建更好的传热路径，该区域收益最大。Sc云图说明，局部对流传热相对有效，因此它就提出了新的改进机会：降低温度可通过添加强制冷却手段 – 一个常见的翅片散热器。

设计项目中，Bn分析精确定位问题区域，Sc分析则突出解决方案。结果是在BGA内结温(Tj)极大地降低。

在另外一个项目中，根据原始Sc分析的建议，在机箱内焊接一个类似的元件（散热器），将Tj降低了74%；在第二次Sc分析后，根据建议，设计一条更为周全的散热路径，结温在第一次改进基础上进一步降低了58%。

工程师面对各类产品中越来越复杂的布线和热密度，所以热仿真现已成为电子设计的常规程序。FloTHERM 9 版本能方便地检测出散热障碍和散热捷径，为现今各类时间紧凑、预算紧张的设计项目提供了无价的便利。