基于ANSYS的接触热阻的有限元分析_陆敏恂

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1、第6期（总期61期）No.6(SerialNo.61)2013年11月FluidPowerTransmissionandControlNov.,2013基于ANSYS的接触热阻的有限元分析陆敏恂南国腾周爱国（同济大学机械与能源工程学院机械电子研究所上海201804）摘要：利用ANSYS对Mosfet功率管和散热片的接触热阻进行有限元分析，提出了一种表面粗糙度的模拟方法，对接触热阻的主要影响因素-表面粗糙度进行了深入的仿真分析研究，得出了接触热阻与粗糙度各因素的关系，并对其他影响接触热阻的因素进行了分析。关键词：ANSYS；接触热阻；有限元分析中图分类号：TP271.4文献标志码：A

2、文章编号：1672-8904-（2013）06-0034-004由于Mosfet功率管具有驱动电流小、开关速度快因此用计算的方法对接触热阻进行研究就成为理论等优点，已经被广泛地应用在电动车的驱动器里。研究和实验研究的重要补充，同时具有重要的理论意Mosfet功率管通常的损坏模式包括：过流、过压、雪崩义和工程应用价值。击穿、超出安全工作区等。导致这些损坏模式的最终2接触热阻的有限元分析原因都是因为晶圆温度过高，所以Mosfet功率管的散热问题成为驱动器的关键问题。本文中驱动器以散2.1温度场计算的数学模型热片作为散热冷却的主要手段，Mosfet功率管和散热常物性、无内热源、稳态情况下

3、三维热传导微分片接触，导热过程中会在接触面上产生接触热阻，对方程为：222于它产生的机理，广大学者进行了大量的理论与实验∂T∂T∂T(++)=0（2）222研究，普遍认为界面热阻的产生是由于粗糙表面间不∂x∂y∂z完全接触所造成的热流线收缩而导致的[1]。对流传热的基本公式为：q=hcAsΔTs-f（3）1接触热阻产生的机理2式中，hc为对流传热系数，（W/m⋅k）；当一定的热流通过接触界面时，两接触表面之间2As为换热表面的面积，（m）；会出现一个间断的温差ΔT，单位：°C。接触热阻R定ΔTs-f为换热表面与流体的温差，（°C）。2义为ΔT和接触面上平均热流密度q（单位：W/m）

4、之理论上hc本身是温差ΔTs-f的函数，这样就带进了[2]比：一个非线性的因素，所以在理论上对流传热的计算比R=ΔT/q（1）热传导要复杂得多。依据公式可以在对流传热中增在两个固体表面间的传热的物理机制很复杂，由加一个类似于热传导中的热阻的概念，即自然对流的[3]以下部分组成：等效热阻为1/(hcAs)，其大小取决于整个被冷却表面（a）固体间实际的接触点的热传导；的hc的平均估算值。（b）在小空间区域里的流体的热传导；边界条件为给定物体表面温度：（c）填入空洞中的流体可能的对流；T=Tˉ（4）（d）小空间区域内的辐射。给出通过物体表面的比热流：出现在一定部位的最后两种现象一般是可以

5、忽∂Tλ=q(x,y,z)（5）略的，接触热阻分布主要是由（a）和（b）所述现象引起∂n的。接触热阻的实验研究往往费时费力且精度不高，式中，λ为导热系数，（W/m∙K）。给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介收稿日期：2013-09-02质的换热系数为：作者简介：陆敏恂（1949-），男，博士，教授。主要研究方向为工程机械∂T液压系统和液压振动技术。λ=α(Tw-Tf)（6）∂n2013年11月陆敏恂，等：基于ANSYS的接触热阻的有限元分析第35页式中，λ为导热系数，（W/m∙K）；fet功率管的塑封材料是环氧树脂，其导热系数是2α为表面传热系数，（W/m∙K）；0.96W/m

6、⋅k，散热片材料为铝，其导热系数是Tw和Tf分别为壁面温度和流体温度，（°C）。237.5W/m⋅k，Mosfet和散热片间隙的空气为对流，对2流系数取10W/m⋅k。Mosfet功率管和周围环境为自2.2表面粗糙度对接触热阻影响2然对流，对流系数为10W/m⋅k。散热片和周围环境首先建立分析模型的表面形貌，从微观角度来为自然对流，对流系数为10W/m2⋅k。根据电子散热看，实际的接触界面是由许多随机分布形状各异的微片表面质量要求，散热体台面的表面粗糙度Ra最大[4]凸体组成的，在进行数值分析时，如果直接采用这种允许值为3.2μm。取h1=3.2μm，λ=0.5时，Mosfet的随

7、机表面模型，计算规模和计算工作量都非常大，甚表面粗糙度h2取5μm计算，通过总体方程组的集至达到无法接受的程度。因此通常的作法是采用规成，施加给定温度的强制性边界条件并求解此方程组则微凸体（例如长方体、圆柱体、截锥体、球体等）来近即可得到结构的温度场，进而可得到热流密度场等相似模拟随机粗糙表面，但是要求二者具有相同的特征关场量，最后界面接触热阻R可以由其定义式给出。[5]参数，这样采用规则微凸体来模拟实际的随机接触仿真得到的温度场分布如图2所示。面在进行接触热阻计算时