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例題６ 自然対流による基板上のICの放熱
本例題について
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基板上で一定の発熱量で発熱するICを自然対流で放熱させる定常解析例を示します。
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温度分布や熱流束ベクトルを解析結果として見ることができます。
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チュートリアル「熱流体解析(Bernoulli_Watt、外部流体自動作成)」で細かい手順を紹介しています。
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表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
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本解析は、流体自動作成を使用して基板とICのみモデル化して解析することができます。
後半は、手動で流体部を作成して設定する方法も示します。
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Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
２つの解析モデルが入っています。
ic_board：流体自動作成で解析したもの
ic_board_with_air：流体を手動で作成して解析したもの
解析空間
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
3次元 |
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モデル単位 |
mm |
解析条件
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項目 |
タブ |
条件 |
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ソルバの選択 |
流体解析[Bernoulli] 熱伝導解析[Watt] 浮力をチェック |
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解析の種類 |
熱流体解析 |
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層流/乱流 |
熱流体解析 |
乱流をチェック |
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流れの種類 |
熱流体解析 |
外部流れをチェック |
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流体自動作成の設定 |
熱流体解析 |
外部流れ方向：自然対流+Z方向 |
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メッシュ設定 |
メッシュ(熱流体) |
標準メッシュサイズ:2[mm] |
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積層メッシュ設定 |
メッシュ(熱流体) |
自動生成パラメータ 想定温度差：50[deg] |
モデル図
内部に基板(VOL1))とIC(VOL2)をソリッドボディで定義します。
ボディ属性および材料、メッシュサイズの設定
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
メッシュサイズ |
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0/Solid |
VOL1 |
006_ガラスエポキシ※ |
- |
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1/Solid |
VOL2 |
001_アルミナ※ |
- |
流体自動作成の設定で、空気材料：000_空気※が設定されています。
※材料データベースを利用
発熱量タブにてIC(VOL2)を以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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VOL2 |
発熱量 |
1W |
境界条件
境界条件は設定しません。解析条件の流体自動作成で、外部流れ方向を設定しています。
外部境界条件は自動的に流入/流出：自然流入/流出となります。
流入する流体の温度は環境温度となりますので、環境設定で環境温度を設定しています。
解析結果
温度分布の解析結果を示します。
基板とICの温度分布が見やすいように、空気ボディを選択し、右クリックメニューから「ボディのフィールドを非表示」を選択し、空気領域のフィールドを非表示にしています。
IC部の温度が高くなっていることが確認できます。
次に、x=0の断面を表示します。ここでは空気ボディも再表示しています。
ICの上方に温度の高い領域があり、主に上方に熱が伝わっている様子が確認できます。
次に、解析タイプを熱伝導解析から流体解析に切り替え、流速ベクトル図を表示します。
ベクトル図の描画設定は、3Dベクトルオフにして表示しています。
ICにより暖められた空気が上方へ移動している様子が確認できます。
流体自動作成を使用しない場合
参考として、流体自動作成機能を使用しない場合の設定方法も記載します。
解析空間[流体手動作成]
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
3次元 |
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モデル単位 |
mm |
解析条件[流体手動作成]
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項目 |
タブ |
条件 |
|
ソルバの選択 |
流体解析[Bernoulli] 熱伝導解析[Watt] 浮力をチェック |
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解析の種類 |
熱流体解析 |
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層流/乱流 |
熱流体解析 |
乱流をチェック |
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流れの種類 |
熱流体解析 |
外部流れをチェック |
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メッシュ設定 |
メッシュ(熱流体) |
標準メッシュサイズ:10[mm] |
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積層メッシュ設定 |
メッシュ(熱流体) |
自動生成パラメータ 想定温度差：50[deg] |
モデル図[流体手動作成]
直方体のソリッドボディを定義し、空気（000_空気)の材料を設定します。
外部境界条件を使用し、流入/流出：自然流入/流出を設定します。
内部に基板(VOL1))とIC(VOL2)をソリッドボディで定義します。
ボディ属性および材料、メッシュサイズの設定[流体手動作成]
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
メッシュサイズ |
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0/Solid |
VOL1 |
006_ガラスエポキシ※ |
2.0 |
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1/Solid |
VOL2 |
001_アルミナ※ |
2.0 |
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2/Solid |
Air |
000_空気※ |
- |
※材料データベースを利用
発熱量タブにてIC(VOL2)を以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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VOL2 |
発熱量 |
1W |
境界条件[流体手動作成]
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境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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外部境界条件 |
熱流体 |
流入/流出 |
自然流入/流出 流入温度：環境温度を使用する(25[deg]) |