基于TO220封装和Sil Pad K-10的Flotherm热界面材料设置方式对比分析

在电子产品设计中,几乎每个产品都会使用热界面材料(英语:Thermal Interface Material)来降低散热器与发热元件之间之间的接触热阻,那么,如何在Flotherm中对热界面材料进行建模呢?有的朋友为求准确,会对热界面材料详细建模,另一些人则会使用软件培训中所讲的Collapse方式来进行建模,还有一些则会在Surface Finish中设置。那么,哪一种方式才合理呢?本文将以常见的TO220封装作为发热元件,再以贝格斯Sil Pad K-10作为热界面材料,来对比在Flotherm软件中几种热界面材料模型设置方式。

模型尺寸


为了方便理论计算,本例子中删除了TO220的管脚,本体等与热界面材料无关的模型,仅保留了TO220背面的Spreader和Die,同时,将Die的长宽尺寸调整为Spreader大小,模型尺寸见下表,TO220位于散热器中间位置 。TO220发热为5W。

Flotherm模型尺寸

模型三维图见下图,可见图中其实仅仅是三个Cuboid,另为了计算方便,此处将散热器设置为一热沉,温度恒定为100度。

Flotherm三维模型

Sil Pad K-10规格书见下图.

Sil Pad K-10 datasheet

Flotherm仿真设置

为了避免对流换热与辐射换热对仿真结果的影响,本例中将求解方式设置为Conduction Only,同时关闭了辐射,Model Setup见下图。

Flotherm Model setup

 

模型与散热器直接接触仿真


为了对比热界面材料对温度的影响,我们可以先将模型与散热器直接接触,然后进行热仿真。仿真结果显示Die的温度为100.149度。

Surface Finish中设置接触热阻

查询Sil Pad K-10的规格书我们可以知道,当压力为100psi时,其接触热阻为1.87 degC/W,因此,我们选择TO220与散热器接触一个面为其设置接触热阻值Rsurf-solid=0.000285 Km^2/W,如下图所示。仿真结果显示Die的温度为109.48度。

Flotherm Rsurf-solid


Collapse 接触热阻

Collapse接触热阻的设置如Flotherm培训材料中所介绍,先建立一个0.152mm厚的方块,然后为其赋予Sil Pad K-10材料,再将方块Collapse,设置成没有厚度的方块,将其放置于TO220和散热器之间即可,如下图所示。仿真结果显示Die的温度为103.983度。

Flotherm Collapse接触热阻

详细模型接触热阻

详细模型接触热阻的设置则更简单,直接建立一个0.152mm厚的方块,然后为其赋予Sil Pad K-10材料,再将其放置于TO220和散热器之间即可,如下图所示。仿真结果显示Die的温度同样为103.983度。

Flotherm 3D contact resistance

仿真结果对比

Flotherm thermal simulation result

 

总结

仿真数据和理论计算数据结果如下表所示:

Flotherm simulation and theory result comparison

从上表中我们可以看出,三种热界面材料设置方式均会对仿真结果产生影响,且与理论计算值相当接近,可以认为仿真结果是可信的。但是,我们可以简单的看出,在Surface Finish中设置接触热阻的方式对TO220结温的影响比较大,这是因为其它两种方式的设置仅考虑了热界面材料的热传导率所产生的热阻,而没有考虑热界面材料在受压力的情况下与TO220和散热器之间的热接触热阻值,因此,仿真实践中应优先选用Surface Finish中设置抵触热阻的方式。


 

评论

不太明白Rsurf-solid=0.000285 Km^2/W是如何算出的

0.000285不就是热阻吗,根据导热系数算出来的

請問0.000285 Km^2/W是如何算出的?

@yeeh 可以参考本站另一篇文章《接触热阻单位解释》,实际上就是使用1.87K/W去乘以TO220的封装面积,就可以得到0.000285这个值了。

"将散热器设置为一热沉,温度恒定为100度",请问这个怎么设置啊,软件里找了半天没找到。

@一米阳光 选择散热器,然后在Thermal 那里选择新建,就像为散热器赋予一个热损耗一样的,不过在新建 的Thermal里面,不要选择Conduction,选择Fixed temperature就好了。