Icepak高手案例《ANSYS Icepak进阶应用导航案例》推荐

2017-06-06 by:CAE仿真在线来源:互联网

《ANSYS Icepak进阶应用导航案例》主要讲解ANSYS Icepak的高级应用专题,共包括16个专题案例,详细讲解:

IC封装不同热阻的模拟计算
IC封装网络热阻的提取
风冷机箱散热器的优化计算
水冷板热模拟计算
热电制冷TEC热模拟计算
ANSYS Icepak对电子机箱恒温控制的模拟计算
散热孔不同模拟方法对机箱热模拟的影响
模拟计算电路板铜层的焦耳热
ANSYS Icepak与Maxwell、HFSS、Simplorer等电磁软件的耦合模拟计算等。

今天我们抽取芯片封装的热阻计算、ANSYS Icepak与Simplorer场路耦合计算两个案例,向大家部分展示《ANSYS Icepak进阶应用导航案例》一书中难得一见的经典案例,帮助用户快速提高ANSYSIcepak的使用水平和能力。

案例一

芯片封装的热阻计算

以某一芯片封装为案例,利用ANSYS Icepak计算封装的Rja(芯片Die与空气的热阻)、Rjb(芯片Die与电路板的热阻)、Rjc(芯片Die与封装管壳的热阻)。

封装Rja热阻的计算

封装的Rja热阻,表示芯片的结点Junction与外界空气的热阻,单位为℃/W,一般由芯片制造商提供。Rja热阻数值的大小,通常被用来判断芯片散热性能的好坏。

1、热阻说明

Rja热阻通常包括两种,一种为将芯片放置于JEDEC标准的密闭测试机箱中,芯片通过自然冷却进行散热,即外侧风速为0,计算芯片封装的Rja;另一种为将芯片放置于JEDEC标准的风洞中,通过外界的强迫风冷对芯片进行散热,需要计算不同风速下的芯片Rja热阻,

芯片Rja热阻的计算公式如下所示:

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Rja表示芯片结点Junction至环境空气的热阻,℃/W;

Tj表示芯片Die的最高温度,℃;

Ta表示环境的空气温度,℃;

P表示芯片Die的热耗。

进行Rja计算时,芯片务必放置于电路板上,当芯片封装的尺寸小于27mm时,测试电路板的尺寸如图1(a)所示;当芯片封装尺寸大于等于27mm时,测试电路板的尺寸如图1(b)所示。

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图1 JEDEC—测试电路板尺寸说明

2、自然冷却Rja的计算

某芯片封装的尺寸为14.06(长)x2.15(高)x14.06(宽)mm,焊球个数272个。

1)建立项目

启动ANSYS Icepak软件。

2)JEDEC密闭机箱的建立

单击主菜单栏的Macros—Packages—IC packages-Enclosures—JEDEC,打开建立JEDEC机箱的面板。

如图2所示,打开建立JEDEC机箱的面板。单击选择Natural Convection,表示建立自然对流的JEDEC机箱。输入芯片所处的面X-Z;输入芯片封装的尺寸信息;输入芯片焊球的个数272;选择电路板的层数4-layer;勾选Create assembly,单击Accept,完成机箱的建立。

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图2 建立JEDEC机箱的面板

在模型树下,罗列了机箱的所有模型,包括电路板Board、机箱六个面Wall,Support固定支架。ANSYS Icepak会自动将JEDEC机箱的参数输入给相应的模型,不需要用户自己建立,机箱各个部件及属性参数可参考表1。

表1 机箱各部件材料属性

器件名称	密度(kg/m3)	热容(J/kg.k)	导热率(w/m.k)	换热系数
wall	/	/	/	5w/m2.k
board	1250	1300	切向:25.76328; 法向:0.383493;	/
support	1120	1400	0.2	/

3)芯片封装的EDA导入

点击模型工具栏中的

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,建立芯片封装模型。将学习光盘内的封装模型导入Icepak;软件自动显示芯片封装基板Substrate的铜箔过孔信息,保持默认的设置,单击Accept;

查看芯片封装的属性面板中,在Ball shape中选择Cylinder,表示将芯片封装的焊球简化等效成圆柱体;单击Die/Mold面板,在Total power中输入1,表示芯片的热耗为1w;其他保持默认设置,完成芯片封装的参数输入,如图3所示。

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图3 芯片封装焊球和Die的参数信息

ANSYSIcepak会根据芯片封装的ECAD模型信息,自动建立芯片封装的大小、基板、焊球、Die、金线等等的尺寸参数;完全导入ECAD信息的芯片封装模型如图4所示,简化后的金线模型将变为多边形的Plate薄板模型。

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图4 导入ECAD的芯片封装热模型

未完,待续……

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案例二

ANSYS Icepak与Simplorer场路耦合计算

基于ANSYSIcepak与Simplorer对某一热模型进行场路耦合计算。首先使用ANSYS Icepak对热模型的瞬态工况进行了CFD模拟计算,得到了各热源温度随时间的变化曲线,然后将这些温度曲线导入Simplorer,自动建立状态矩阵,然后输入器件的热耗,点击分析计算,Simplorer只需要使用秒级的计算时间,便可得到各热源随时间的变化曲线。

1、场路耦合计算简单说明

Simplorer是功能强大的多域机电系统设计与仿真分析软件,可用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化;其提供了功能强大的跨学科多领域系统仿真平台,可导入多个软件的模型,实现多物理场场路耦合仿真。可以与Simplorer进行联合仿真的软件如图1所示。

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图 1与Simplorer进行耦合计算的软件

在ANSYSIcepak中,对某一热模型进行瞬态CFD模拟计算,通常需要几个小时的计算时间(需要根据模型的复杂程度和计算机本身的配置决定);工程师如果修改模型器件本身的热耗(不同载荷对应不同的热耗),重新进行CFD模拟计算,相应的仍然需要几个小时的计算时间;如果需要计算不同热耗下所对应的器件瞬态温度,则颇费时间。

利用ANSYSIcepak对热模型某一载荷工况进行计算,然后将CFD的计算结果作为Simplorer的输入量,无缝集成ANSYS Icepak的热模型,其可以利用模型降阶技术提取网络模型。在Simplorer中修改器件的热耗,其利用网络模型,仅仅花费秒级的计算时间,便可以得到此热耗下,器件温度随时间的变化曲线。

2、ANSYS Icepak的设置及计算

对热模型进行场路耦合计算,ANSYS Icepak中的计算步骤如下:

1)单独启动ANSYSIcepak 15.0,Unpack学习光盘里的模型,建立ANSYSIcepak热

模型。

2)建立的ANSYSIcepak模型如图2所示,其中单个电容热耗为1w,单个内存热

耗为2w,CPU热耗为5w,进风口风速为1m/s。

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图2 ANSYS Icepak模型

打开Basicparameters面板,单击Transient setup面板,查看瞬态的计算时间为600s;点击Edit parameters,打开瞬态时间步长设置,点击Time step function后的Edit,查看分段时间步长的设置,可以看到,最小时间步长为0.1s,最大时间步长为10s;可以看出,在第1s内,时间步长为0.1s,第1s至第10s,时间步长为1s,第10s至第100s,时间步长为5s,第100s至第600s,时间步长为10s;初始阶段时间步长小一些,可以准确捕获温度的改变量。

3)双击模型树左侧CAPACITOR,打开其编辑窗口,在Total power中输入$dianrong

(变量名称前需要添加“$”符号),点击Update,然后对变量dianrong的初始值输入0,点击Done,如图3所示,完成CAPACITOR热耗变量的设置。