137℃降到60℃：Flotherm散热器建模的关键参数，和一个能省一半算力的开关

fin网格给几个、斜边fin怎么等效、自然散热为什么该选Pin fin——这一讲全讲透了。

机箱里的芯片是「裸奔」的，算出来 137℃。这一讲加上一个散热器，同样的工况、同样的功耗，芯片温度直接掉到 60℃——砍掉一半还多。

这篇整理自 Flotherm 热仿真零基础到就业课程第 14 讲《智能元件 · 散热器》：散热器有哪几种、详细模型和 Compact 模型怎么选、fin网格到底给几个、斜边 fin 怎么等效、连接式散热器的粘接材料为什么能决定成败，以及两个能省一半计算时间的操作习惯。

一、散热器是什么，有哪几种

散热器是几乎所有功率器件的必备伙伴——CPU 散热器、IGBT 模块散热器、LED 灯具，还有现在炙手可热的 GPU，都需要它。

核心作用

扩大散热面积，提高对流换热效率

说白了：把小面积芯片的热量传导到大面积鳍片上，再用空气或液冷工质带走

图1　散热器的常见形式：板式、Pin fin、塔式、服务器用、远置式、液冷冷板

形式　→　特点与适用

板式（挤压成型）　最常见的散热器，一般由铝或铜挤压成型

Pin fin（针脚）不用考虑安装方向——风从任何方向来都有作用

塔式　台式电脑常见：几根热管把 CPU 热量传到上方鳍片，再用风扇带走

服务器散热器　一般采用铜底 + 铲齿结构

远置式　芯片上方没有空间 → 用热管把热量拉到后方再加 fin；风先流过前面的散热器，也会流过后面的 fin，同样起到扩展面积的作用

液冷冷板　散热能力更强

材质　→　导热系数 W/(m·K)　→　取舍

铝　≈ 200　密度小、重量轻、成本低（相对比较高）

铜385　重量大、成本高 → 常用于高热流密度或空间受限的场合

典型结构永远是两部分：基板（base）——接触芯片，同时扩展热量；鳍片（fin）——长在基板上，负责和空气做对流换热。

二、详细模型 vs Compact：省算力的那个开关

Flotherm 提供了丰富的散热器智能元件，可以创建板式散热器和 Pin fin（针脚）散热器。而每个散热器都有两种形态，这是影响计算量最大的一个选择：

详细模型（Detailed）

能看到明确的 fin 几何。仿得更精确，同时可以看到风流在散热器里面的流动。

→ 研究散热器内部流动细节、做 fin 参数优化时用。

Compact 模型 ★

为了减少计算网格的数量，把散热器变成一个类似流阻块的形式——它既能传热，又能导通风流，起一个等效作用。

课程里的判断是：两种模型的效果不会有太大的差异。

→ 系统级仿真、多方案对比时用 Compact，能把算力和时间省下来。

图2　详细模型（能看到明确 fin）与 Compact 模型的切换

图3　Compact 模型：等效成一个流阻块，既传热又导通风流

三、详细模型的参数逐个讲

参数　→　含义与效果

长度　fin 拉伸方向；X 沿风流方向，改成 300 就会变长

宽度　另一方向改成 50，可以看到整个 fin 全部压缩到一块

厚度（Z）　指 base 的厚度，改成 10 mm，base 就跟着变厚

fin 数量　默认状态里除外面 2 个 fin 之外，里面是 3 个

fin 高度　默认 95，可以改成 50

中间 gap　给 10 mm → fin 分布变化；给 4 → 中间两个间距靠近；给 50 → 间距更大

High side insert（Y 正方向）／Low side（X 负方向）　设 50 → fin 在风流方向往里走

fin 宽度　改成 1，fin 就变得更细

End fin offset　边上的 fin；给 20，两端各往里退 20

非标准最外侧 fin　勾选最左边这个 fin 后，可以改它的任意尺寸（如高度改 60、厚度改 10）

Forked 形式　会往外伸出一个新结构，左右都可以做（但这种奇形怪状的 fin 实际应用不多）

图4　fin 数量与 fin 高度：默认里面 3 个 fin、高度 95

图5　中间 gap：给 4 中间两 fin 靠拢，给 50 间距变大

除了均匀 fin，智能元件还能建异形 fin，一共六种形态：

① 正常的均匀 fin　② 中间没有 fin　③ 两边没有 fin

④ 一侧没有 fin，同时可调整最外侧 fin 的厚度　⑤ fin 上长一个触手伸出来　⑥ 两面都有 fin 的散热器

图6　勾选「非标准最外侧 fin」后可单独改它的高度和厚度

四、斜边 fin 怎么处理：一个很多人不知道的等效

默认的 fin，齿根和齿顶是等高的。但在实际生产过程中——尤其是铝挤压成型——fin 的底部会宽一点、上面会窄一点，也就是有个斜边。

为什么 Flotherm 不建斜边 fin

① Flotherm 没办法处理这种斜边形式；

② 就算能处理，斜边也会带来网格数量的激增。

所以：不建斜边 fin，智能元件也不会显示斜边 fin，而是用一个「等效尺寸」来代表实际的 fin。

等效方法

（齿根厚度 + 齿顶厚度）÷ 2

例：齿根 5 mm、齿顶 3 mm → 平均 4 mm → 显示出来的 fin 宽度就是 4。

这是为了更贴近实际 fin 而给的功能。

图7　分别填齿根厚度与齿顶厚度，软件按平均值显示等效 fin 宽度

五、fin 网格给几个：官方推荐值

这是直接决定「算得准不准」和「算得快不快」的一组数字：

FLOTHERM 推荐

fin 本身至少 2 个网格

fin 间隙里 4 ~ 5 个网格

这样就足够精确地仿真 fin 里面的气流以及压降。

（下限是间隙 3~4 个；给再多，精度提升有限而网格量猛涨）

操作提示：按 G 键可以把网格框显示出来，直接数 fin 内和 fin 间各有几个网格。这两个数值分别由两个独立参数控制，改一个不影响另一个。

图8　fin 网格设置：fin 本身与 fin 间隙分别控制（按 G 显示网格框）

5.1 Pin fin 的网格与排布

Pin fin 的网格设置思路与板式类似（比如 fin 里 5 个、fin 本身 5 个，就是 5×5；也可以改成 4×4）。但 Pin fin 的网格更密、计算量更大，所以：

一般情况下都要点「局域化网格（Local grid）」，把网格局限在散热器本身的范围之内。否则 fin 网格会伸到 fin 之外，导致整个计算网格数量暴涨。

Pin fin 排布　→　网格数量的含义

Inline（顺排）　一排一排正好对齐；网格设置与板式一致

Staggered（错排 / 插空）　交错排列。⚠ 此时设置的数值已经包含了 fin 里面的网格——设 3 就包含了 fin 内的一个网格，设 4 就包含了里面的 fin。

→ 用错排结构时要把数量相应增加一些，这样两个 fin 之间的网格才会跟着增加；fin 本身那一项可以改少一点（比如 2）

图9　Pin fin 错排（Staggered）：网格数量的含义与顺排不同

5.2 Pin 的形状：边数选 8，不要选 12

Pin 的截面形状可以选边数：4 边其实就是方形；边数越多越接近圆形——8 边已经比较接近圆，12 边更接近。

★ 实际建模中不建议选 12 边

选 8 个边就已经够接近圆了，而且：

· 它对流阻的影响也比较小

· 同时兼具网格数量少、计算快的优点

12 边带来的精度提升，抵不上多出来的网格量。

图10　Pin 截面边数：4 边=方形，8 边够接近圆，不建议 12 边

六、连接式散热器：粘接材料能决定成败

除了一体式（拉伸或压铸，整个材料一样），还有连接式散热器：先在 base 上建一个沟槽，再把散热器与沟槽焊接或粘接起来。

参数　→　设置要点

沟槽深度　如给 3 mm（该处深度变成 13 mm）

沟槽宽度　如给 6 mm。⚠ fin 本身有 5 mm 厚，所以沟槽宽度一定要比 fin 厚度大

fin 材料　比如铝 fin，从库里找出来赋予

焊接 / 粘接材料 ★★★默认那个材料的导热系数非常低；如果用锡焊，就要去找对应的焊锡材料 → 导热系数变成 65 W/(m·K)

图11　粘接材料选择：默认值导热系数极低，换成焊锡后为 65 W/(m·K)

为什么这条要单独强调：选择不同的粘接材料，会直接影响整个散热器的性能。默认那个低导热系数的粘接层，会成为整条热路径上最大的一段热阻——很多人散热器建得很漂亮，结果温度降不下来，问题就出在这一层。

七、没有智能元件的复杂散热器怎么办

像「下面一个铜块 + 热管 + 上面 fin」这类复杂散热器，Flotherm 里没有对应的智能元件。

解决办法：用 Cuboid（块体）把它完整地建出来——改外形 + 改热属性即可近似替代。这也是上一讲 Cuboid 的核心价值。

图12　实战选型：自然散热、无风扇时优先用 Pin fin 结构

八、实战：机箱内给芯片加散热器，137℃ → 60℃

承接上一讲的教程 4：机箱里的芯片没有加任何散热器或散热措施，所以温度非常高——上一讲跑出来的结果是 137℃。

建模步骤

1. 新建散热器智能元件，放到 PCB 下方（因为它是安装在 PCB 上的，放一起更合理）
2. 把散热器的 base 贴到芯片上；base 不用做太大，大概给一个就行
3. 本节先不考虑 TIM 材料，认为接触良好（下一讲会学 TIM 材料，再加进来看它的影响）
4. ★ 选型判断　现在是自然散热、没有风扇的状态，基本上是一侧进风、上侧出风 → 最好采用 Pin fin 结构，让任何方向的风流都能起到冷却作用
5. 参数：Pin 长宽给 8×8；fin 排布两边各给 6 个（给 10 个有点多）；网格适当多一点，给 4
6. 材料给铝（给铜也行）；把辐射放进来
7. ★检查 fin 网格——会发现网格伸到 fin 之外，导致整个计算网格比较多 → 给它一个局域化设置（Local grid），网格立刻少很多
8. 核数少算得慢 → 多给几个核（比如 10 个），能大大加快计算速度
9. 大约 1 分多钟就算完了。残差曲线已经很低，就可以直接停止。
10. 在 X 方向查看芯片温度

137 ℃　→　60 ℃

直接降低了差不多一半。散热器对芯片散热是至关重要的。

图13　加散热器后的温度云图：芯片从 137℃ 降到 60℃

九、两个能省一半时间的操作习惯

习惯 1｜只改功耗时，直接点「计算」，不要点「初始化并计算」

刚开始没有任何结果时，当然要点初始化并计算。

但如果你已经有一个初步计算结果，这时只改了功耗：

· 直接点「计算」 → 它会以当前结果作为初场继续算，快很多

· 点了「初始化」 → 就变成一个全新的计算，计算量和计算时间都会变长

所以在只改功耗的条件下，建议直接点计算。

习惯 2｜收敛看监控温度，不要死盯残差

做法：给关键器件做一个监控点，这样计算过程中就能实时查看温度变化。

判据：当监控温度稳定了，基本就可以认为已经收敛了——即使残差曲线并没有小于设定阈值，也认为是 OK 的。

图14　已有初场时，只改功耗应直接点「计算」，用当前结果作初场

功耗对比（监控点温度）

10 W　→　大约 六七十度

50 W　→　113 ℃（温度增加非常明显）

图15　功耗加到 50 W 后的温度监控曲线：芯片升到 113℃

✅ 散热器建模速查

1. 选型：自然散热/风向不定 → Pin fin；有明确风道 → 板式；空间受限或高热流 → 铜；芯片上方没空间 → 热管远置式

2. 省算力：系统级仿真用 Compact（等效流阻块，既传热又导流，效果差别不大）

3. 网格：fin 本身 2 个、fin 间隙 4~5 个，足够精确算气流与压降；按 G 键显示网格框核对

4. Pin fin 必开 Local grid，否则网格外溢、数量暴涨

5. 错排（Staggered）的网格数值已含 fin 内网格，要把数量调大一些；fin 本身可调到 2

6. Pin 边数选 8，不要选 12（8 边够接近圆、流阻影响小、网格少算得快）

7. 斜边 fin：不建斜边，用 (齿根+齿顶)/2 等效（5 与 3 → 4）

8. 连接式：沟槽宽度必须 > fin 厚度；粘接材料别用默认（导热极低），锡焊要选焊锡 ≈65 W/(m·K)

9. 复杂散热器（铜块+热管+fin）没有智能元件 → 用 Cuboid 建

10. 两个习惯：只改功耗直接点「计算」别点「初始化」；监控温度稳定即认为收敛，不必死盯残差

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