电路板芯片的稳态与瞬态热分析

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了利用稳态热分析和瞬态热分析方法研究电路板上三个芯片所产生的热量的过程。首先，建立了一个与稳态分析相关联的瞬态热分析，并导入了电路板的几何模型。接着，对电路板进行了网格划分，并设置了特定的网格方法控制和网格大小来确保良好的网格质量。然后，加载了芯片的热载荷和整个电路板的对流载荷。最后，进行了稳态和瞬态分析，得到了电路板和芯片的温度分布结果。

1 问题描述

下图所示的电路板：包括三个在正常运行过程中产生热量的芯片。只要在板上通上电源，一个芯片就能保持通电状态，另外两个芯片在不同的时间内，会周期性地激活和断开能量。利用稳态热分析和瞬态热分析方法研究这些芯片所产生的热量。

2 分析过程

2.1 创建分析系统

建立一个与稳态分析相关联的瞬态热分析。启动ANSYS Workbench，从工具箱中，将一个稳态热系统分析拖到项目示意图上。随后将瞬态热系统分析拖动到稳态热系统分析处，使单元格2、3、4和6以红色突出显示。

释放鼠标按钮，完成稳态分析与瞬态分析的关联。

2.2 导入几何模型

在稳态热分析示意图中，右击几何Geometry，选择Import Geometry。

2.3 网格划分

设置特定的网格方法控制和网格大小来控制和确保良好的网格质量。

2.3.1 网格方法：

a．在目录树右击Mesh选择Insert> Method

b．在工具栏选中Edit> Select All来选择全部实体

c．在明细栏，把Method设置成Hex Dominant,Free Face Mesh TypeAll Quad.

2.3.2 元件的网格划分：

a．在目录树右击Mesh选择Insert> Sizing

b．首先用Body selection工具栏按钮，然后按住Ctrl按钮，单击15个单独的Body，选择除board之外的所有Body。完成选择主体后，单击Details视图中的Apply按钮。

c．将Element Size从默认值更改为0.0009 m

2.3.3 板的网格划分

a.在目录树右击Mesh选择Insert> Sizing

b.单独选中板实体将Element Size从默认值更改为0.002m.

2.4 加载芯片的热载荷

板上不断通电的芯片产生的内热载荷为5e7 W/m3。

用Body选择的工具栏按钮，单击选择如下所示的芯片。然后右击Steady-State Thermal选择Insert> Internal Heat Generation，在Magnitude输入5e7

2.5 加载整个电路板的对流载荷

选择全部实体，在Environment工具栏选择Convection，导入温度对流系数Stagnant Air - Simplified Case.

2.6 稳态结果

求解得到电路板的稳态温度分布结果如下：

 2.7 瞬态分析设置

瞬态持续时间为200s，设置如下：

2.8 添加第一个芯片的热载荷

该芯片的通电时间在20到40秒之间，这段时间内产生的热载荷为5e7 W/m3。如下图所示：

右键Transient Thermal插入Internal Heat Generation，在Tabular Data输入数据：

2.9 添加第二个芯片热载荷

另一个芯片的通电时间在60到70秒之间，这段时间内产生的热载荷为5e7 W/m3。如下图所示：

右键Transient Thermal插入Internal Heat Generation，在Tabular Data输入数据：

2.10 瞬态结果

在Solution插入Temperature，得到整个电路板全部时间历程的温度结果如下：

同理，可以得到芯片单独的时间历程温度情况：

用chart展示三个芯片的温度结果