Icepak高手案例《ANSYS Icepak進(jìn)階應(yīng)用導(dǎo)航案例》推薦

2017-06-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

《ANSYS Icepak進(jìn)階應(yīng)用導(dǎo)航案例》主要講解ANSYS Icepak的高級應(yīng)用專題,共包括16個(gè)專題案例,詳細(xì)講解:

• IC封裝不同熱阻的模擬計(jì)算

• IC封裝網(wǎng)絡(luò)熱阻的提取

• 風(fēng)冷機(jī)箱散熱器的優(yōu)化計(jì)算

• 水冷板熱模擬計(jì)算

• 熱電制冷TEC熱模擬計(jì)算

• ANSYS Icepak對電子機(jī)箱恒溫控制的模擬計(jì)算

• 散熱孔不同模擬方法對機(jī)箱熱模擬的影響

• 模擬計(jì)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(jì)算等。

今天我們抽取芯片封裝的熱阻計(jì)算、ANSYS Icepak與Simplorer場路耦合計(jì)算兩個(gè)案例,向大家部分展示《ANSYS Icepak進(jìn)階應(yīng)用導(dǎo)航案例》一書中難得一見的經(jīng)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(jì)算

以某一芯片封裝為案例,利用ANSYS Icepak計(jì)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(jì)算

封裝的Rja熱阻,表示芯片的結(jié)點(diǎn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的密閉測試機(jī)箱中,芯片通過自然冷卻進(jìn)行散熱,即外側(cè)風(fēng)速為0,計(jì)算芯片封裝的Rja;另一種為將芯片放置于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞中,通過外界的強(qiáng)迫風(fēng)冷對芯片進(jìn)行散熱,需要計(jì)算不同風(fēng)速下的芯片Rja熱阻,

芯片Rja熱阻的計(jì)算公式如下所示:

Rja表示芯片結(jié)點(diǎn)Junction至環(huán)境空氣的熱阻,℃/W;

Tj表示芯片Die的最高溫度,℃;

Ta表示環(huán)境的空氣溫度,℃;

P表示芯片Die的熱耗。

進(jìn)行Rja計(jì)算時(shí),芯片務(wù)必放置于電路板上,當(dāng)芯片封裝的尺寸小于27mm時(shí),測試電路板的尺寸如圖1(a)所示;當(dāng)芯片封裝尺寸大于等于27mm時(shí),測試電路板的尺寸如圖1(b)所示。

2、自然冷卻Rja的計(jì)算

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

1)建立項(xiàng)目

啟動ANSYS Icepak軟件。

2)JEDEC密閉機(jī)箱的建立

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

如圖2所示,打開建立JEDEC機(jī)箱的面板。單擊選擇Natural Convection,表示建立自然對流的JEDEC機(jī)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(gè)數(shù)272;選擇電路板的層數(shù)4-layer;勾選Create assembly,單擊Accept,完成機(jī)箱的建立。

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

表1 機(jī)箱各部件材料屬性

器件名稱	密度(kg/m3)	熱容(J/kg.k)	導(dǎo)熱率(w/m.k)	換熱系數(shù)
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(dǎo)入

點(diǎn)擊模型工具欄中的

,建立芯片封裝模型。將學(xué)習(xí)光盤內(nèi)的封裝模型導(dǎo)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(rèn)的設(shè)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(rèn)設(shè)置,完成芯片封裝的參數(shù)輸入,如圖3所示。

圖3 芯片封裝焊球和Die的參數(shù)信息

ANSYSIcepak會根據(jù)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(shù);完全導(dǎo)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?yōu)槎噙呅蔚腜late薄板模型。

未完,待續(xù)……

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案例二

ANSYS Icepak與Simplorer場路耦合計(jì)算

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

1、場路耦合計(jì)算簡單說明

Simplorer是功能強(qiáng)大的多域機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析軟件,可用于電氣、電磁、電力電子、控制等機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真分析和優(yōu)化;其提供了功能強(qiáng)大的跨學(xué)科多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真平臺,可導(dǎo)入多個(gè)軟件的模型,實(shí)現(xiàn)多物理場場路耦合仿真?？梢耘cSimplorer進(jìn)行聯(lián)合仿真的軟件如圖1所示。

圖 1與Simplorer進(jìn)行耦合計(jì)算的軟件

在ANSYSIcepak中,對某一熱模型進(jìn)行瞬態(tài)CFD模擬計(jì)算,通常需要幾個(gè)小時(shí)的計(jì)算時(shí)間(需要根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算機(jī)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(yīng)不同的熱耗),重新進(jìn)行CFD模擬計(jì)算,相應(yīng)的仍然需要幾個(gè)小時(shí)的計(jì)算時(shí)間;如果需要計(jì)算不同熱耗下所對應(yīng)的器件瞬態(tài)溫度,則頗費(fèi)時(shí)間。

利用ANSYSIcepak對熱模型某一載荷工況進(jìn)行計(jì)算,然后將CFD的計(jì)算結(jié)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(shù)提取網(wǎng)絡(luò)模型。在Simplorer中修改器件的熱耗,其利用網(wǎng)絡(luò)模型,僅僅花費(fèi)秒級的計(jì)算時(shí)間,便可以得到此熱耗下,器件溫度隨時(shí)間的變化曲線。

2、ANSYS Icepak的設(shè)置及計(jì)算

對熱模型進(jìn)行場路耦合計(jì)算,ANSYS Icepak中的計(jì)算步驟如下:

1)單獨(dú)啟動ANSYSIcepak 15.0,Unpack學(xué)習(xí)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(gè)電容熱耗為1w,單個(gè)內(nèi)存熱

耗為2w,CPU熱耗為5w,進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為1m/s。

打開Basicparameters面板,單擊Transient setup面板,查看瞬態(tài)的計(jì)算時(shí)間為600s;點(diǎn)擊Edit parameters,打開瞬態(tài)時(shí)間步長設(shè)置,點(diǎn)擊Time step function后的Edit,查看分段時(shí)間步長的設(shè)置,可以看到,最小時(shí)間步長為0.1s,最大時(shí)間步長為10s;可以看出,在第1s內(nèi),時(shí)間步長為0.1s,第1s至第10s,時(shí)間步長為1s,第10s至第100s,時(shí)間步長為5s,第100s至第600s,時(shí)間步長為10s;初始階段時(shí)間步長小一些,可以準(zhǔn)確捕獲溫度的改變量。

3)雙擊模型樹左側(cè)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(diǎn)擊Update,然后對變量dianrong的初始值輸入0,點(diǎn)擊Done,如圖3所示,完成CAPACITOR熱耗變量的設(shè)置。

同理,按照上述相同的方法,對其他4個(gè)熱源的熱耗設(shè)置變量,并輸入初始值。

在模型樹下選擇兩個(gè)電容、兩個(gè)內(nèi)存及CPU模型,直接拖動至Points中, ANSYS Icepak

將自動監(jiān)測這些器件中心點(diǎn)的溫度,并顯示溫度隨時(shí)間的變化曲線。監(jiān)控點(diǎn)會存儲溫度隨時(shí)間步長變化的具體數(shù)值,這些數(shù)值會被傳遞到Simplorer中。溫度監(jiān)控點(diǎn)的個(gè)數(shù)無限制,監(jiān)控點(diǎn)越多,Simplorer將花費(fèi)更多的時(shí)間生成狀態(tài)矩陣。

4)單擊主菜單Solve—Run optimization,打開Parameters andoptimization參數(shù)

化優(yōu)化面板,選擇Parametric trials參數(shù)化工況,接著選擇By columns,然后勾選Write Simplorer File,如圖4所示,Write Simplorer File會將ANSYS Icepak的計(jì)算結(jié)果輸出為Simplorer認(rèn)可的文件。

圖4 參數(shù)化優(yōu)化面板

5)單擊圖4中Design variables面板,打開變量的數(shù)值輸入面板,在左側(cè)區(qū)域選

擇變量cpu,在Base value中輸入5,選擇Discretevalues,然后輸入5 0 0 0 0,離散數(shù)值之間用空格隔開。其他幾個(gè)變量的數(shù)值輸入與cpu類似,如圖5所示。

各個(gè)變量數(shù)值輸入如表2所示,注意:離散數(shù)值之間使用空格隔開。

表2各變量的基本值和離散值

變量名稱	當(dāng)前基本值	離散數(shù)值
cpu	5	5 0 0 0 0
dianrong	0	0 1 0 0 0
dianrong.1	0	0 0 1 0 0
neicun	0	0 0 0 2 0
neicun.1	0	0 0 0 0 2

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