Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦

2017-06-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

《ANSYS Icepak進階應用導航案例》主要講解ANSYS Icepak的高級應用專題,共包括16個專題案例,詳細講解:

IC封裝不同熱阻的模擬計算
IC封裝網絡熱阻的提取
風冷機箱散熱器的優化計算
水冷板熱模擬計算
熱電制冷TEC熱模擬計算
ANSYS Icepak對電子機箱恒溫控制的模擬計算
散熱孔不同模擬方法對機箱熱模擬的影響
模擬計算電路板銅層的焦耳熱
ANSYS Icepak與Maxwell、HFSS、Simplorer等電磁軟件的耦合模擬計算等。

今天我們抽取芯片封裝的熱阻計算、ANSYS Icepak與Simplorer場路耦合計算兩個案例,向大家部分展示《ANSYS Icepak進階應用導航案例》一書中難得一見的經典案例,幫助用戶快速提高ANSYSIcepak的使用水平和能力。

案例一

芯片封裝的熱阻計算

以某一芯片封裝為案例,利用ANSYS Icepak計算封裝的Rja(芯片Die與空氣的熱阻)、Rjb(芯片Die與電路板的熱阻)、Rjc(芯片Die與封裝管殼的熱阻)。

封裝Rja熱阻的計算

封裝的Rja熱阻,表示芯片的結點Junction與外界空氣的熱阻,單位為℃/W,一般由芯片制造商提供。Rja熱阻數值的大小,通常被用來判斷芯片散熱性能的好壞。

1、熱阻說明

Rja熱阻通常包括兩種,一種為將芯片放置于JEDEC標準的密閉測試機箱中,芯片通過自然冷卻進行散熱,即外側風速為0,計算芯片封裝的Rja;另一種為將芯片放置于JEDEC標準的風洞中,通過外界的強迫風冷對芯片進行散熱,需要計算不同風速下的芯片Rja熱阻,

芯片Rja熱阻的計算公式如下所示:

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys workbanch圖片1

Rja表示芯片結點Junction至環境空氣的熱阻,℃/W;

Tj表示芯片Die的最高溫度,℃;

Ta表示環境的空氣溫度,℃;

P表示芯片Die的熱耗。

進行Rja計算時,芯片務必放置于電路板上,當芯片封裝的尺寸小于27mm時,測試電路板的尺寸如圖1(a)所示;當芯片封裝尺寸大于等于27mm時,測試電路板的尺寸如圖1(b)所示。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys workbanch圖片2

圖1 JEDEC—測試電路板尺寸說明

2、自然冷卻Rja的計算

某芯片封裝的尺寸為14.06(長)x2.15(高)x14.06(寬)mm,焊球個數272個。

1)建立項目

啟動ANSYS Icepak軟件。

2)JEDEC密閉機箱的建立

單擊主菜單欄的Macros—Packages—IC packages-Enclosures—JEDEC,打開建立JEDEC機箱的面板。

如圖2所示,打開建立JEDEC機箱的面板。單擊選擇Natural Convection,表示建立自然對流的JEDEC機箱。輸入芯片所處的面X-Z;輸入芯片封裝的尺寸信息;輸入芯片焊球的個數272;選擇電路板的層數4-layer;勾選Create assembly,單擊Accept,完成機箱的建立。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys workbanch圖片3

圖2 建立JEDEC機箱的面板

在模型樹下,羅列了機箱的所有模型,包括電路板Board、機箱六個面Wall,Support固定支架。ANSYS Icepak會自動將JEDEC機箱的參數輸入給相應的模型,不需要用戶自己建立,機箱各個部件及屬性參數可參考表1。

表1 機箱各部件材料屬性

器件名稱	密度(kg/m3)	熱容(J/kg.k)	導熱率(w/m.k)	換熱系數
wall	/	/	/	5w/m2.k
board	1250	1300	切向:25.76328; 法向:0.383493;	/
support	1120	1400	0.2	/

3)芯片封裝的EDA導入

點擊模型工具欄中的

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys培訓的效果圖片4

,建立芯片封裝模型。將學習光盤內的封裝模型導入Icepak;軟件自動顯示芯片封裝基板Substrate的銅箔過孔信息,保持默認的設置,單擊Accept;

查看芯片封裝的屬性面板中,在Ball shape中選擇Cylinder,表示將芯片封裝的焊球簡化等效成圓柱體;單擊Die/Mold面板,在Total power中輸入1,表示芯片的熱耗為1w;其他保持默認設置,完成芯片封裝的參數輸入,如圖3所示。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys培訓的效果圖片5

圖3 芯片封裝焊球和Die的參數信息

ANSYSIcepak會根據芯片封裝的ECAD模型信息,自動建立芯片封裝的大小、基板、焊球、Die、金線等等的尺寸參數;完全導入ECAD信息的芯片封裝模型如圖4所示,簡化后的金線模型將變為多邊形的Plate薄板模型。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys培訓的效果圖片6

圖4 導入ECAD的芯片封裝熱模型

未完,待續……

更多案例請關注安世亞太高級工程師王永康,新書《ANSYS Icepak進階應用導航案例》……

案例二

ANSYS Icepak與Simplorer場路耦合計算

基于ANSYSIcepak與Simplorer對某一熱模型進行場路耦合計算。首先使用ANSYS Icepak對熱模型的瞬態工況進行了CFD模擬計算,得到了各熱源溫度隨時間的變化曲線,然后將這些溫度曲線導入Simplorer,自動建立狀態矩陣,然后輸入器件的熱耗,點擊分析計算,Simplorer只需要使用秒級的計算時間,便可得到各熱源隨時間的變化曲線。

1、場路耦合計算簡單說明

Simplorer是功能強大的多域機電系統設計與仿真分析軟件,可用于電氣、電磁、電力電子、控制等機電一體化系統的建模、設計、仿真分析和優化;其提供了功能強大的跨學科多領域系統仿真平臺,可導入多個軟件的模型,實現多物理場場路耦合仿真。可以與Simplorer進行聯合仿真的軟件如圖1所示。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys結構分析圖片7

圖 1與Simplorer進行耦合計算的軟件

在ANSYSIcepak中,對某一熱模型進行瞬態CFD模擬計算,通常需要幾個小時的計算時間(需要根據模型的復雜程度和計算機本身的配置決定);工程師如果修改模型器件本身的熱耗(不同載荷對應不同的熱耗),重新進行CFD模擬計算,相應的仍然需要幾個小時的計算時間;如果需要計算不同熱耗下所對應的器件瞬態溫度,則頗費時間。

利用ANSYSIcepak對熱模型某一載荷工況進行計算,然后將CFD的計算結果作為Simplorer的輸入量,無縫集成ANSYS Icepak的熱模型,其可以利用模型降階技術提取網絡模型。在Simplorer中修改器件的熱耗,其利用網絡模型,僅僅花費秒級的計算時間,便可以得到此熱耗下,器件溫度隨時間的變化曲線。

2、ANSYS Icepak的設置及計算

對熱模型進行場路耦合計算,ANSYS Icepak中的計算步驟如下:

1)單獨啟動ANSYSIcepak 15.0,Unpack學習光盤里的模型,建立ANSYSIcepak熱

模型。

2)建立的ANSYSIcepak模型如圖2所示,其中單個電容熱耗為1w,單個內存熱

耗為2w,CPU熱耗為5w,進風口風速為1m/s。

Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦ansys結構分析圖片8

圖2 ANSYS Icepak模型

打開Basicparameters面板,單擊Transient setup面板,查看瞬態的計算時間為600s;點擊Edit parameters,打開瞬態時間步長設置,點擊Time step function后的Edit,查看分段時間步長的設置,可以看到,最小時間步長為0.1s,最大時間步長為10s;可以看出,在第1s內,時間步長為0.1s,第1s至第10s,時間步長為1s,第10s至第100s,時間步長為5s,第100s至第600s,時間步長為10s;初始階段時間步長小一些,可以準確捕獲溫度的改變量。

3)雙擊模型樹左側CAPACITOR,打開其編輯窗口,在Total power中輸入$dianrong

(變量名稱前需要添加“$”符號),點擊Update,然后對變量dianrong的初始值輸入0,點擊Done,如圖3所示,完成CAPACITOR熱耗變量的設置。