厚膜电源发热情况数值模拟
1 背景介绍
热是影响电路可靠性最主要的因素，大部分电路的失效都是由于散热不良、超温、热集中、热设计等造成的。想要解决功率产品的散热问题，提高集成电路的功率密度，传统的氧化铝基板厚膜工艺、外壳所使用的金属材料导热能力有限，以及通用粘接材料，都已经不能满足小体积、大功率厚膜电路的散热要求，极大影响了产品的可靠性。要提高小体积、大功率厚膜电路的功率密度，必须解决产品的散热和导热能力。
为此，针对XXX单位已有的厚膜电源热分析需求（该电源产品工作模式下过热成为进一步提高性能的瓶颈），无名子博士利用CFD商软Fluent分析了其内部元件发热情况（当然，懂行的朋友也可选择更专业的Icepak电子散热仿真包，其内核也是Fluent），并与XXX单位提供的实测结果进行了对比。
2 物理模型
通过对产品实际尺寸和发热情况进行分析，忽略次要因素，简化后的物理模型如下图所示。
忽略基板与壳体之间的锡焊料厚度。由于功率器件厚度远小于其底部的锡焊料厚度，故假设锡焊料为发热器件，其大小和功率与对应的功率芯片相同。变压器（B1、L2）尺寸与实际尺寸一致，忽略粘接胶的厚度。
3 网格划分
由于计算区域的不规则性，采用ICEM四面体网格进行网格划分。为了准确得到整个产品的温度分布和散热情况，同时节省计算时间，设置外部空间的最大网格尺寸为10 mm并对局部区域进行加密，如壳体、基板及变压器的网格尺寸为0.5 mm，其中基板侧面网格尺寸为0.2mm，五个功率芯片网格尺寸为0.1mm，其中侧面网格尺寸为0.05mm，同时设置边界层网格。下图是细分后的网格和边界连接情况
4 边界条件
由于壳体外部散热条件未知，因此在壳体外部设置了一外部大空间用于耦合外壳体外部的边界条件。对于外部大空间，流体为空气，温度为300 K(26.85 ℃)。底部设为压力入口其余各面设为压力出口。对于变压器通过其实际功耗及体积计算体热流设置体内热源，并设置底部边界存在0.2 mm厚的粘接胶。
对于功率芯片通过实际功耗及其底部焊锡料体积计算体热流设置体内热源。其余边界均为耦合边界。
5 求解方法
计算模型为层流稳态对流换热过程，利用SIMPLE算法，对流体采用Boussinesq假设，收敛条件为连续性残差小于10e-3，速度残差小于10e-3，能量残差小于10e-6。
6 计算结果分析
计算后的基板及各器件温度和壳体温度分布如下图所示。功率芯片D1、D2温度最高达242 ℃，壳体温度分布范围为220~238℃。
为了验证数值计算结果的正确性，建立物理模型时将设备的顶盖去除，并将计算结果与实验测得的温度分布进行比较，模拟结果如下图所示。计算结果与实验结果的温度整体吻合，最大温度计算值大于实验值。无名子博士分析这是因为数值计算采用的是设备的理论最大功耗，且按稳态进行计算，而在实验过程中设备并不是按照最大工况连续工作，实验过程温度更低。