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ANSYS Icepak封装级电子散热仿真解决方案

2年前浏览5822
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工程背景



热—电子设备运行的关键问题



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  • 电子器件的故障、性能与其工作温度有密切关系
  • 对温度最为敏感的问题:
    - 大量使用的半导体器件和微电路,故障率随温度的增加而指数级上升
  • 甚至有些电子器件的性能表现与温升速度相关

 

电子热设计方法

  • 热源处理
    - 降额使用
    - 特种元器件温度补偿与控制
    - 合理设计印制电路板结构
  • 热阻处理
    - 元器件的合理布局可减小热阻
    - 散热装置
  • 降温处理
    - 等温处理
    - 控温处理


以上电子热设计方法的依据在哪?

CFD技术—与热测试并驾齐驱的热设计手段


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CFD技术(Computer Fluid Dynamics,计算流体动力学技术)是通过计算机来求解流动、传热等控制方程来获得流场信息的一种仿真方法。
  • 成本低、速度快

  • 模拟越来越逼近真实
    - 几何
    - 物理

电子热设计中仿真应用概览

 

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解决方案



为什么要使用CPS?



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  • 手机等终端备的散热设计直接影响客户体验

    - 工作性能不稳定
    - 手机太烫不敢拿
  • IC热完整性设计不是一个简单的问题
    - 一只芯片消耗的功率是动态功率和泄漏功率之和。随着温度上升,泄漏会呈指数增加。
  • 许多泄漏结果都是由不准确的温度估计造成的
    - 多数情况下,设计师在规定热目标时,都会依据IC温度不得超过105℃这个规则,没有考虑实际环境的影响。
  • 如何在进行IC设计时充分考虑散热环境的影响?
    - Chip<->Package<->System
    - ANSYS CPS(Chip-Package-System)联合解决方案
CPS工作流程

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分析结果

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ANSYS Icepak–专注于电子热设计


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Icepak提供全尺度(从芯片级别直到环境级别)的电子散热设计仿真能力。



ANSYS Icepak–完整的热仿真工具

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  • Icepak提供完整的热仿真流程/能力
  • 可集成于ANSYS Workbench,利用WB中的其它软件,完成上下游工作/多物理场分析


 
ANSYS ICEPAK的专业之处



  • 快速建模功能:ANSYS Icepak拥有一系列“Object”,借助于它们,用户可以快速建立常见的电子器件。



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  • ECAD & MCAD 数据导入:ANSYS Icepak可以导入各种格式的ECAD和MCAD数据格式

  • 贴体网格自动划分Fluent求解器:

    - ANSYS Icepak可以自动划分高质量的贴体网格,而非一般电子散热仿真工具非常粗糙的阶梯型网格。网格算法灵活多变,可根据具体问题选择最为合适的方法。Icepak网格技术在没有损失求解精度的情况下使得模拟速度大大加快!

    - ANSYS Icepak使用全球CFD市场占有率最高的ANSYS FLUENT求解器。

    > 模型多
    > 算法丰富
    > 求解稳定
    > 并行效能好
    - Icepak丰富的求解器功能:封装、板、系统热分析
    > 稳态/瞬态问题
    > 层流/湍流问题
    > 强迫/自然/混合对流
    > 多流体问题
    > 内流/外流
    > 固定/运动/对称边界
    > 直流电/焦耳热
    > 温度相关物质属性
    > 辐射传热、太阳辐射
    > 湿度分析
    > 污染物扩散
  • 结果可视化:
    - 速度矢量图、温度云图、流线图、等值面、任意剖面、XY曲线、动画等等
    - Overview、Summary、详细的HTML报告
  • WB集成 (多物理场耦合)

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产品方案

  • ANSYS封装级热仿真产品方案

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  • 一般情景下的模块搭配


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仿真案例


IC 封装热分析


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芯片产生的热量通过内部结构由芯片结区到达外壳的外表面。通过结构拓扑优化来获得最佳的散热效果。

  • Icepak封装热模拟的特点

    − 与EDA软件接口完善。设计->仿真流程通畅便捷

    − 多种层次的模型

  • 详细模型(封装厂家),双热阻模型,DELPHI模型(封装厂家->下游厂家)

    − 提供JEDEC*标准规定的测试条件,自动生成符合JEDEC标准的测试环境。

    *JEDEC即固态技术协会,是微电子产业的领导标准机构。在过去50余年的时间里,JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。

 

ANSYS Icepak封装模拟案例

 

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详细封装-热沉的热仿真


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封装基板导热的详细模拟


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  • Icepak可以导入封装基板的Trace数据,并基于此,对当地的导热系数根据其残铜率进行评估。
  • 此举极大提高了封装结构散热通道模拟的准确性。
  • 可以获得更高精度的温度分布和热阻值。

 

封装基板Trace导入对计算结果的影响

 

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DELPHI模型抽取


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∆ BGA型封装的DELPHI热网络结构


  • DELPHI 模型

  • 用于系统级散热的封装热网络模型标准

  • Icepak的DELPHIExtractor 可以使用MS Excel自动生成DELPHI模型

  • DELPHI是BCI模型(Boundary Conditions Independent)


Icepak DELPHI模型支持MCM


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材料通用热设计试验FluentMechanicalIcepakCFXCFD-Post
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-06-04
最近编辑:2年前
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