4.封装热管理与分析演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,四、封装热管理与分析,张 云,marblezy,周华民,hmzhou,1,目 录,4.1,封装的热管理,4.2,热传导原理与封装热阻,4.3,稳态传热与瞬态传热,4.4 Ansys,热分析简介,4.5,案例分析,2,4.1,封装的热管理,4.1.1,热管理概述,4.1.2,热管理重要性,4.1.3,热管理技术,4.1.4,热设计中常用的技术措施,3,4.1.1,热管理概述,（,1,）热管理概念,是指对封装体内的耗热元件及系统采用合理的冷却,/,散热技术和结构设计优化，对其温度进行控制，从而保证电子器或系统正常、可靠地工作。,（,2,）目的,通过各种方法导出这些热量，使封装体的温度维持在允许的范围。,4,4.1.1,热管理概述,（,3,）,热量来源,电流,在封装体内部芯片中流动，将电能转化成热能，引线、电阻、多晶硅等通电后都会产生热量，特别是一些高功能密度的核心器件,(,如,CPU),产生的热量更加,多；,封装体内部可动部件摩擦产生的热量，如微镜阵列等。随着热量的不断积聚，如果没有有效的流通路径将热量带走，封装体内的温度就会不断上升，直至电子器件停止工作或完全失效为止。,5,4.1.2,热管理的重要性,据统计，电子产品产生失效的原因，大约有,55,是由于过热及,与热相关的问题造成的。电子器件的失效往往与其工作温度密,切相关，在一定的温度范围内，随着温度的升高，电子器件的,失效率急剧上升。,芯片最大热流密度增长趋势,电子产品失效的主要原因（来源,美空军整体计划分析报告）,6,著名的,Arrhenius,方程：,式中：,ML(T2),和,ML(T1),是在,T2,和,T1,温度下的寿命,Ea,是激活能,k,是,Boltzmann,常数，,8.62,10,-5,eV/K,，,T1,和,T2,是开氏温度。,温度对半导体器件的影响最为敏感,7,半导体器件失效模式、失效机理与激活能,8,寿命与温度、激活能关系（,300K,）,9,寿命与温度、激活能关系（,400K,）,10,温度对电阻器和电容器的影响也很大。,温度的升高导致电阻器的使用功率下降。,如碳膜电阻，当环境温度为,40,时，允许的使用功率为标称值的,100%,；环境温度增到,100,时，允许使用功率仅为标称值,20%,。,又如,RJ-0.125W,金属膜电阻，环境温度为,70,时，允许使用功率仅为标称值的,20%,。,温度的变化对阻值大小有一定的影响，温度每升高或降低,10,，电阻值大约要变化,1%,。,温度对电容器的影响主要是每升高,10,，使用时间就要下降一半，绝缘材料的性能也下降。,11,热对系统可靠性的影响,元器件的失效率与温度的关系,12,减少设备内部产生的热量，是设计的一项指标；,降低设备受外界环境的热影响；,减少热阻，是结构设计的目的之一；,保证电气性能稳定，热设计使元件不在高温条件下工作，以避免参数漂移；,改善电子设备的可靠性；,廷长使用寿命。,热设计的对策和目的,13,4.1.3,热管理技术,电子封装的散热方式,（,1,）被动式散热,（,2,）主动式散热,14,（,1,）被动式散热,主要是通过改变,材料的性质、尺寸或配置,方式以实现散热。,可选,用低热阻材料，还可以在接触面处使用导热胶或,导热片,等，以避免因接触面凹凸不平，有空气残留，而使传热效果变,差,热,贯穿孔的配置是常见的被动式散热方式之一。热贯穿孔通常是以垂直于,电路板,平面的方向配置于电路板内，以降低热阻。热贯穿孔通常由导热性好的,金属材料如铜制成,。一般的电路板材料的导热性能都不好，借助热贯穿孔的配置，,从而,降低电路板的等效,热阻,15,（,2,）主动式散热,加装其他增加热传递效率的组件，以外力的方法来达到散热效果，如安装,散热片,、风扇或,热,管,等。,散热片,：在热管理设计中，可以通过增加热,传递表面积或散热片来实现减小热阻值。散,热器的实,物如图所示，它由多个散热片构成,，可黏合在组件模块的外壳上，而让热经由,散热片有效地散发出去。,散热器,16,（,2,）主动式散热,热管,：是利用相变过程和蒸汽扩散把热量传递到较远距离的热传递器件，是一个具有内芯结构的绝热细长管，在内部含有少量传热媒介。,热管组成：,蒸发段、绝热段和冷凝段,。当蒸发段受热时，通过管壁使浸透于吸液芯中的工作液蒸发，蒸汽在蒸发段和冷凝段之间形成的压差作用下流向冷凝段；在冷凝段由于受冷却，蒸汽凝结为液体，释放汽化潜热；冷凝后的液体靠吸液芯与液体相结合所产生的毛细力作用，将冷凝液输回蒸发段，形成一个循环。如此往复不断，完成热管的导热过程。,17,（,2,）主动式散热,热电冷却（半导体冷却）,：,当直流电通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能这就是所谓的热电制冷。半导体制冷是热电制冷的一种，即直流电通过由半导体材料制成的,PN,结回路时，在,P N,结的接触面上有热电能量转换的特性，又由于半导体材料是一种较好 的热 电能量转换材 料，在 国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体制冷,18,（,2,）主动式散热,热电冷却（半导体冷却）,：,优点：,(1),结构简单，整个制冷器由热电堆和导线组成，没有运动部件，无噪音，无磨损，寿命长，可靠性高；,(2),制冷速度快，控制灵活；,(3),体积小，重量轻，维修方便，可以任何姿势工作,19,2.4,热设计常用的技术措施,最大限度地利用传导、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术,。,尽可能,缩短传热路径,，,增大换热（或导热）面积,。,加大热传导面积和传热零件之间的接触压力，提高接触表面的加工精度或在接角面间加导热脂，以减少热阻。,在热流通道口应减少各种阻力，零件和元器件的排列的方向和安装方式应保证最大的热对流。,元器件安装时，要充分考虑周围元器件辐射换热的影响。,增加表面黑度，提高辐射换热能力。,20,对太阳辐射应有相应的防护措施。,对嵌埋状态的热源，须用金属传热器通至冷却装置。,如果环氧玻璃树脂印制线路板不足散发所产生的热量，应考虑加设散热网络和金属条散热。,印制板组装件应有适当的导热措施、如采用导热印制板（如导热条、导热板、金属夹芯或热管管等）印制板导轨应采用热阻小的导轨。,采用强制风冷系统时应保证在箱内有足够的正压强。,进气口和排气口之间应有足够距离，要避免热风回流。,21,进入的空气与排出的空气之间的温差应小于,14,。,在冷却风道上要先冷却热敏元件低温元件，再冷却高温元件，并使每个元器件，零部件的配置和安装合理。,应注意强迫通风与自然通风的方向尽量一致。,在冷却装置中，应具有防止诸如燃料油微粒，灰尘，纤维微粒等沉积物和其他老化措施，以免增大热阻降低冷却效果。同时还应防止由于工作周期、功率、热环境以及冷却剂温度等变化引起的热瞬变，使元器件的温度波动减少到最低程度。,使用通风机进行风冷时，进出风口应符合电磁干扰和安全性要求，必要时还应考虑防淋雨要求。,22,4.2,热传导原理和封装热阻,4.2.1,传热学基础,4.2.2,封装热阻,4.2.3,三级封装的热管理,4.2.4 JEDEC,标准,23,4.2.1,传热学基础,（,1,）,热传导,物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递的现象，称为热传导。,图,5,一维热传导示意图,24,不同材料的导热特性,材料名称,导热系数,(20,),W/,(,m,),密度,(20,),kg/m,3,比热,(20,),J/(kg,),铝,204,2707,921,金,292,19272,126,铜,330,8939,385,铁,73,7898,452,银,419,10524,234,尼龙,0.170.4,1121,1075,环氧树脂,0.4,1041,Diamond 16002300,25,影响因素：,实际接触点的总面积及分布规律；,接触表面粗糙度；,非接触间隙平均厚度；,间隙介质的种类；,接触表面硬度；,接触表面间压力；,接触面氧化程度与清洁度；,接触热阻,26,表面状况,接触热阻,10,4,(m,2,k/w,),金,属,与,金,属,干接触,高,3.55,中,2.58,低,0.90,涂硅脂,高,2.32,中,1.29,低,0.48,导热衬垫,高,1.10,中,0.65,低,0.32,垫铟片,（厚,0.005mm),干接触,高,0.58,中,0.45,低,0.32,接触热阻实例,27,4.2.1,传热学基础,（,2,）热对流,若流体有宏观运动，且内部存在温差，则流体之间发生相对 位移，冷热流体之间相互掺混而产生热量传递的现象，称为热对流。,分类,（,a,）自然对流：由于流体冷热部分密度不同所致；,（,b,）强迫对流：外力所致,。,28,对流换热影响因素总结,流体流动特征,流体的物性参数,换热面的几何形状,流体的相变条件,（沸腾、凝结、升华）,以上各影响因素，使得对流换热过程变得非常复杂，要想用数学式来表达非常困难。,29,对流换热系数,对流传热系数的数值范围,过 程,h/W(m,2,k),自然对流,空气,水,1,10,200,1000,强迫对流,气体,高压水蒸气,水,20,100,500,3500,1000,15000,水的相变换热,沸腾,蒸汽凝结,2500,3500,5000,25000,30,4.2.1,传热学基础,31,4.2.2,封装热阻,热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程遵循一个共同的定律：,如欧姆定律：,同样，热传导过程中也有,32,4.2.2,封装热阻,封装热阻,：,T,1,T,2,指两规定点（或区域）的温度；,P,为耗散功率,温差一定，热阻越大，热量越难传递。,热阻是电子封装的重要技术指标和特性，也是热分析中最常用的评价参数。,热设计的目的就是希望封装结构可以容易地散热，让它的热阻越低越好,33,4.2.2,封装热阻,常见封装热阻定义,：,34,4.3,三级封装的热管理,电子封装热分析可以分为元件级、板级和系统级三个层次。,元件级热分析,首先要得到元件的详细温度场分布，以便进一步分析元件结构中的热效应，确定整个元件的热特性，如热阻、结点温度、热应变等。根据热分析结果可以优化元件结构的热设计，选择合适的冷却方式。,板级的热分析,对象是装有元器件的印刷电路板，是一个不同表面具有不同传导系数的复杂导热型结构。如同元件级一样，板级热分析首先要得到印刷电路板的详细温度分布图，然后根据温度分布图进行电路板热特性分析，从而为降低电路板热点温度、释放热应变、进行热匹配设计（包括元器件位置优化、降低热流路径热阻、选择合适散热和冷却方式）提供理论依据。,35,4.2.4 JEDEC,标准,JEDEC,（,Joint Electron Device Engineering Council),电子元件工业联合会,JEDEC,是,半导体工业界的一个标准化组织，制定固态电子方面的工业标准。,JEDEC,曾经是电子工业联盟（,EIA,）的一部分,JESD51-1,标准规范了集成电路热测量方法，即电气测试方法,36,37,4.4,稳态与瞬态热分析,4.4.1,基本概念,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,4.4.3,三维温度场的有限元数值计算,38,4.4.1,基本概念,（,1,）,稳态导热过程,：,若物体中各点温度不随时间而改变，则对应的传热过程,称为稳态导热过程,（,2,）,非稳态,导热过程,：,若物体中各点温度随时间不断地发生改变，则对应的传热过程,称为,非稳态,导热过程,（,3,）电子封装的热分析：指采用数学手段对封装结构的具体设计方案的热场分布进行分析和计算，获得其温度场分布及其他热特性，它包括,稳态分析,和,瞬态分析,。对电子封装的稳态和瞬态温度场进行数值模拟是研究封装结构热特性的重要手段，其优点是可以对影响热特性的诸因素进行定性和定量分析，在设计初期就可以发现产品的热缺,39,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,40,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,41,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,（,2,）定解条件：,在导热过程中，,由于导热微分方程,并没有描述导热过程的任何特点,，因为方程会有无数多组解。而要使方程具有唯一解，必须给出相应的条件，这个条件即为定解条件。,它包括几何条件、物理条件、初始条件、边界条件。,42,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,43,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,边界条件,第,一类边界条件,：给出物体边界上的温度分布以及边界温度随时间的,变化,规律，一般形式,为,第二,类边界条件,：给出物体边界上的热流密度分布以及热流密度随时间的变化规律，一般形式为,由傅里叶定律，可得,若,物体边界处表面绝热，则成为特殊的第二类边界条件,：,44,4.4.2,导热微分方程及其定解形式,45,4.4.3,三维温度场的有限元数值计算,46,4.4.3,三维温度场的有限元数值计算,47,4.4.3,三维温度场的有限元数值计算,（,3,）,瞬态温度场时域差分,有限元方程的求解是从初始时刻的温度场开始进行求解，每隔一个时间步长，求解出下一个时刻的温度场。之后，再以下一个时刻的温度场作为初始温度场，并隔一个时间步长，解得下下个时刻的温度场,。,48,4.4.3,三维温度场的有限元数值计算,（,3,）,瞬态温度场时域差分,1,）向前差分,2,）向后差分,3,）,Crank-Nicolson,差分,49,2.4.3,三维温度场的有限元数值计算,（,3,）,瞬态温度场时域差分,瞬态温度场的一般形式为,时域进行差分后，瞬态温度场方程如下,50,4.4 Ansys,热分析简介,4.4.1 Ansys,热分析的基本步骤,4.4.2 Ansys,稳态热分析教程,4.4.3 Ansys,瞬态热分析教程,51,4.4.1 Ansys,热分析的基本步骤,ANSYS,有限元热模拟,-,条件,结构参数,材料参数,载荷条件,ANSYS,有限元分析模型,求解,模拟结果,载荷条件可以包括传导、对流、辐射及加载的时间条件等,52,4.4.1 Ansys,热分析的基本步骤,能够处理的类型,载荷条件,传导,辐射,对流,分析类型,稳态,瞬态,考虑电子组件的温度随时间的变化关系,电子组件在稳定工作状态下的热分布,能模拟电子组件在自然和强制对流状态下的温度行为,能够处理不同的材料，几何尺寸等因素对电子组件温度分布的影响,53,ANSYS,有限元热模拟过程,分析问题定义,建立实体模型,定义单元类型,单元特性定义,划分网格,模型检查,有限元模型,施加载荷,求解,分析结果,54,几何模型,热分析里所有实体类都被约束：,体、面、线,线实体的截面和轴向在,DesignModeler,中定义,热分析里不可以使用点质量（,Point Mass,）的特性,壳体和线体假设：,壳体：没有厚度方向上的温度梯度,线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度,但在线实体的轴向仍有温度变化,55,热分析使用的单元,在,DS,中，可使用如下一些单元：,实体通常用,10,节点四面体单元,或,20,节点六面体单元,划分,SOLID87,和,SOLID90,面通常用,4,节点 四边形壳单元,划分,SHELL57,使用实常数,（,SHELL131,或,SHELL132,目前已不使用）,线通常用,2,节点 线单元,划分,LINK33,使用实常数,LINK33,还需要,DM,中定义的等效截面积,对热应力分析，不使用耦合场单元。热应力分析顺序进行，因此可使用上面的热单元，然后把温度场读进相应的结构单元中。,56,材料属性,唯一需要的材料属性是传导系数。,材料输入在,“,Engineering Data,”,分支下，然后在,“,Geometry,”,分支下指定每个,part,的材料。,传导系数 作为材料属性的,一个子分支输入。温度相关的传导系数可以,用表输入。,比热 同样也可输入，但目,前用不到。,其它的材料输入在热分析,中用不到。,如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性求解。这是因为，温度是要求解的量，而材料又取决于温度，因此求解不再是线性。,57,载荷,在热分析中有三种类型的载荷：,热负荷,：,这类载荷往系统中输入能量,热负荷可以用已知的热流率或单位面积,/,体积上的热流率输入。,绝热条件,：,这是自然产生的边界条件，此时没有热量从表面上流过。,热边界条件,：,这些边界条件的作用如同已知温度条件下的热源或汇,这些边界条件可以是确定的温度或已知环境温度下的对流边界条件,58,热负荷,热流率,（,heat flow,）,:,热流率可以施加到点、边、或表面上。当有多次选择时，载荷会分布到这些选择对象上。,热流的单位是 能量,/,时间,(i.e.,power).,热通量,（,heat flux,）,:,热通量只能施加到表面上。,热通量的单位是：能量,/,时间,/,面积,(i.e.,power/area),内部生成热,（,internal heat generation,）,:,内部热生成速率只能施加到体上。,热生成的单位是：能量,/,时间,/,体积,正的热负荷值将会向系统中添加能量。而且，如果有多个载荷存在，其效果是累加的。,59,绝热边界,完全绝热,(perfectly insulated),完全绝热条件施加到表面上；,可认为是零热流率加载,在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上是自然产生的边界条件,至少应存在一种类型的热边界条件,，否则，如果热量源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。,给定的温度或对流载荷不能施加到已经施加了某种热负荷或热边界条件的表面上,。,如果施加到已经承受热载荷的实体上，温度边界条件将忽略,完全绝热条件将忽略其它的热边界条件,60,热边界条件,给定温度,(temperature):,强加温度到点、线、或面上,温度是求解的自由度，但这种热边界条件却使选定的实体有固定的温度值。,对流,(convection):,只能施加到表面上,对流使,“,环境温度,”,与表面温度相关：,61,热边界条件,对流,：,只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）,对流,q,由导热膜系数,h,，面积,A,，以及表面温度,T,surface,与环境温度,T,ambient,的差值来定义。,“,h,”,和“,T,ambient,”,是用户指定的值,导热膜系数,h,可以是常量或是温度的函数,62,热边界条件,与温度相关的对流,：,为系数类型选择,Tabular(Temperature),输入对流换热系数,-,温度表格数据,在细节窗口中，为,h(T),指定温度的处理方式,63,热边界条件,几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在文件中。,64,热边界条件,辐射,:,施加在面上（二维分析施加在边上）,式中：,=,斯蒂芬一玻尔兹曼常数,=,放射率,A=,辐射面面积,F=,形状系数,（默认是,1,）,只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为,1,）,斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定,65,求解选项,从,Workbench toolbox,插入,Steady-State Thermal,将在,project schematic,里建立一个,SS Thermal system,（,SS,热分析）,在,Mechanical,里，可以使用,Analysis Settings,为热分析设置求解选项。,66,求解模型,为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。,在,Static Structural,中插入了一个,imported load,分支，并同时导入了施加的结构载荷和约束。,求解结构,67,热载荷总结,与热分析的类比,没有任何类比的载荷类型,对于像旋转速度、加速度之类的惯性载荷，没有热当量,对流边界条件的类比是一个结构分析中的,“,基础刚度,”,支撑，类似于接地弹簧,68,组件,-,实体接触,对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导,69,组件,-,接触区域,如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。,如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对,pinball,的解释）。,总结：,Pinball,区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。,70,组件,-,接触区域,如果接触是,Bonded,（绑定的）或,no separation,（无分离的），那么当面出现在,pinball radius,内时就会发生热传导（绿色实线表示）。,Pinball Radius,右图中，两部件间的间距大于,pinball,区域，因此在这两个部件间会发生热传导。,71,组件,-,导热率,默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，,意味着界面上不会发生温度降,实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：,表面光滑度,表面粗糙度,氧化物,包埋液,接触压力,表面温度,使用导电脂,.,D,T,T,x,72,组件,-,导热率,穿过接触界面的热流速，由接触热通量,q,决定：,式中,T,contact,是一个接触节点上的温度，,T,target,是对应目标节点上的温度,TCC,是接触传热系数,默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性,KXX,和整个几何边界框的对角线,ASMDIAG,，,TCC,被赋以一个相对较大的值。,这实质上为部件间提供了一个完美接触传导,73,组件,-,导热率,用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（,TCC,）。,在细节窗口，为每个接触域指定,TCC,输入值,如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到,TCC,值,在接触界面上，可以像接触热阻一样输入接触热传导,74,组件,-,点焊,Spotweld,（点焊）提供了离散的热传导点：,Spotweld,在,CAD,软件中进行定义（目前只有,DesignModeler,和,Unigraphics,可用）。,T1,T2,75,分析结果,-,温度场,可以获得温度场的云图显示,:,温度是求解的自由度，且是请求的最基本的输出,温度是标量，因此，没有与之相关的方向,.,76,分析结果,-,热通量,热通量云图或矢量显示,热通量,q,有下式定义：且与温度梯度,T,有关。热通量输出有三个分量，可以帮助用户看到热量是如何流动的。,云图显示,“,Total Heat Flux,”,大小,矢量显示,“,Vector Heat Flux,”,的大小和方向,在显示矢量时，用轮廓显示最清晰,热通量的分量可以用,“,Directional Heat Flux,”,请求，并可映射到任意坐标系下。,77,分析结果,-,响应热流速,对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：,通过插入,probe,指定响应热流量，或,用户可以交替的把一个边界条件拖放到,Solution,上后搜索响应,或,从,Probe,菜单下选择,拖放边界条件,78,Ansys,瞬态热分析教程,如果需要知道系统受随时间变化(或不变)的载荷和边界条件时的响应，就需要进行,瞬态分析,时变载荷,时变响应,79,Ansys,瞬态热分析教程,稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于,加载和求解,过程,时间项,对于热瞬态分析，使用时间积分在离散的时间点上计算系统方程。求解之间时间的变化称为时间积分步,(,ITS,)。,通常情况下，,ITS,越小，计算结果越精确。,T,t,D,t,t,n,t,n+1,t,n+2,80,时间步大小建议,选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。,如果时间步长,太小,对于有中间节点的单元会形成不切实际的变动，造成温度结果不真实。,T,t,D,t,如果时间步长,太大,就不能得到足够的温度梯度。,一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。,81,初始条件,初始条件,必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。,施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。,根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定,:,注,:如果没有指定初始温度，初始,DOF,数值为0。,82,初始温度,初始温度设置的地方,采用稳态温度场的结果作为初值，在创建,瞬态分析的时候拖入稳态分析的框中,83,由稳态分析得到的初始温度,当模型中的初始温度分布是,不均匀,且,未知,的，单载荷步的稳态热分析可以用来确定瞬态分析前的初始温度。要这样做，按照下列步骤,:,1.,稳态第一载荷步:,进入求解器，使用稳态分析类型。,施加稳态初始载荷和边界条件,。,为了方便，指定一个很小的结束时间,(,如1,E-3,秒)。避免使用非常小的时间数值,(1,E-10),因为可能形成数值错误。,指定其它所需的控制或设置,(,如非线性控制)。,求解当前载荷步,。,2,.,稳态第一,载作为瞬态分析的初始条件进行分析,84,载荷加载,要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。,载荷在载荷步中相对时间可以是,阶跃,的或,渐进,的,:,85,查看时间结果的“快照”,通用后处理器可以用来列出或绘制瞬态结果在某一时刻的快照。有些主要用于瞬态分析的单元,(,如,MASS71,COMBIN37),需要在后处理中特别对待。,对于绝大多数单元类型，瞬态分析和稳态分析中后处理所用的技术和查看的选项都没有区别。,当查看瞬态分析结果时，要知道能量平衡现在包括了热能存储项。因此，节点热流速率之和不等于施加的载荷除非达到稳态。,86,4.5,案例分析,4.5.1BGA,芯片,热分析,4.5.2 DC/DC,变换器组件热分析,4.5.3 D2PAK,功率芯片热分析,87,BGA,封装结构,BGA,封装结构特点,引脚短、引线电感和电容小，焊点中心距大、组装频率高，引脚牢靠、共面状况好，适合,MCM(multi-chip module),的封装需要，有利于实现,MCM,的高密度、高性能要求等一系列优点。,BGA,封装结构示意图,88,BGA,封装结构,BGA,封装模型由芯片、基板、,EMC,、焊球、铜垫、,PCB,、,黏结层组成。,芯片,是,BGA,的核心部分，也是唯一的发热源，其尺寸是,8mmx6minx0.275mm,；,焊,球为,8mmx,6mm,的均匀面阵列分布，焊球的直径为,0.56mm,，高度,为,0.42mm,，焊球之间的间距,为,1.0mm,，焊球上下表面分别有厚度为,0.05mm,的,铜垫,；,PCB,的尺寸为,16mmx10mmx0.675mm,；,基板,的尺寸为,12mmx8mmx0.25mm,；,在,基板与芯片之间有层厚度为,0.005mm,的黏结层,；,EMC,的尺寸,为,12mmx8mmx0.575mm,。,89,BGA,封装结构,BGA,模型的材料属性,90,BGA,的有限元模型,考虑到结构的对称性和节约时间，可以仅取,1/4,模型进行分析。,由于整个模型具有较规整的几何结构，所以采用六面体单元进行网格划分。,网格划分时考虑以下原则：,对所关心部分如芯片，划分网格时采用较密网格，以,保证计算精度；,对预计温度梯度较大的部位如芯片附近，采用较密网格，而温度梯度较小的部位如封装外壳和,PCB,，采用较疏的网格。这样既保证计算精度，又不致使模型规模过于庞大，占用较多机时。,91,BGA,的有限元模型,BGA,模型的有限元网格,92,BGA,的稳态热分析,（,1,）内部途径：,热量,由芯片结区向外传输过程中，,首先遇到,半导体本身的传导热阻，然后是芯片与基板之间的黏结层的传导热阻,；,热流,到达基板后，克服基板的传导热阻，外壳的传导热阻，从而到达外壳的外表面,。,热源,产生的热量还有一部分通过对流和辐射的形式，穿过封装内部空间,到达外壳,内表面，再克服外壳的传导热阻到达外表面，但由于封装内部空间的热阻,一般都,比较大，因而这条通路上的热流可以忽略不计。,93,BGA,的稳态热分析,（,2,）外部途径,热流传输的外部途径主要是芯片产生的热量传导至封装外表面后，通过对流和辐射的方式逸散到环境中去。当,BGA,组件工作一段时间后，芯片产生的热量和外壳散去的热量达平衡，这时组件的温度场达到了稳定状态。,94,BGA,的稳态热分析,95,BGA,的稳态热分析,可以发现，温度由中心到边缘呈明显的由高到低的分布，离芯片最远处的两角的温度最低。,BGA,整体模型的温度分布,焊球的温度分布,96,BGA,的瞬态热分析,BGA,组件的工作过程中，元件的功率或者边界条件并非是一直保持不变的。而是会随着元件工作状态的改变而改变。特别是对于功率芯片，经常会出现“开”、“关”的情况。为了分析此功率循环问题，需要采用瞬态热分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似，主要区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。,97,BGA,的瞬态热分析,BGA,瞬态热分析的边界条件,（,1,）作为热源的芯片按功率循环进行加载；,（,2,）其他的热流、辐射边界条件和稳态热分析相同。,98,BGA,的瞬态热分析,（,1,）作为热源的芯片按功率循环进行加载。,功率“开”,1min,、“关”,1min,组成一个循环，“开”时功率的大小为,1w,。实际上功率的“开”、“关”是瞬间完成的，但是在具体模拟分析时必须作一些近似处理。一个循环由,4,个载荷步组成，功率“开”和“关”之间的过渡时间为,1s,，,2,周结束的时间为,240s,。,BGA,功率循环,2,周,99,BGA,的瞬态热分析,（,2,）其他的热流、辐射边界条件和稳态热分析相同,。,第,30s,时,BGA,整体模型的温度分布，和前面稳态分析的结果比较可以发现，这时已经接近稳态了。,芯片的中心位置的温度随时间的变化图，可以发现，在工作的前几秒温度迅速升高，随后增长趋势变缓，在第,30s,时已经接近稳态了。,第,30s,时,BGA,整体模型的温度分布云图,芯片中心位置的温度随时间的变化图,100,4.5.2 DC/DC,变换器组件热分析,模型描述,某型,DC/DC,变换器功率耗散器件主要由,T1,变压器，功率,VMOS,管,V4、V5,和肖,特基二极管,V6,、,V7,、,V8,组成，其中功率分别为,2.5W,、,2W,和,2.3W,，总功,耗达19,W。,101,研究内容及目的,DC/DC,电源组件采用金属外壳封装，主要的散热方式为底部金属外壳和空气的对流换热，换热系数通过试验分别为：自然对流,h1=20W/M,2,.K,，强迫对流,h2=40W/M,2,.K,。,通过金属外壳辐射的热量损失可以忽略。,载荷条件：,1.,研究在壳温恒定在,70,条件下，或,2.h1=20W/M2.K,，,h2=40W/M2.K,，环境温度为,27,条件下，,DC/DC,电源组件的温度分布，在此基础上研究不同基板材料及厚度对温度分布的影响。,102,有限元模型,采用,ANSYS,实体建模方法，建立,DC/DC,电源的实体模型，选用,SOLID87,单元，进行自由网格划分，在功率芯片附近细分有限元网格。模型如下图。,103,分析结果,1,、壳温恒定在,70,局部热点在功率芯片集中的地方，整个电源组件的最热点在,A,点附近，,Tmax=87,。利用红外热像仪进行验证，,DC/DC,电源输出端温度分布如图,8,所示，输出端四个功率芯片温度分布比较均匀，,T,max,实测,=90.5,，误差在,3%,左右,，模拟结果是可以接受的,。,104,分析结果,2,、,h1=20W/M,2,.K,（自然对流）,组件最高温度为,223.02,，大于极限结温要求。显然在原设计条件下，采用自然对流设计不能满足热设计要求,。,h=20,环境,27,温度分布图,105,分析结果,3,、,h1=40W/M,2,.K,（强迫对流,),h=40,环境,27,温度分布图,组件最高温度为,143.2,，低于规范要求的,175,的最高结温，满足热设计要求。,106,分析结果,功率芯片温度和对流换热系数关系图,功率芯片温度,VS,对流换热系数关系图,107,分析结果,不同材料的基板厚度变化时对组件芯片结温的影响,基板的厚度范围为,0.5,4mm,，封装外壳的热传导系数定义为,50W/M.K,，基板的热传导系数分别为,20W/M.K,（,Al,2,O,3,）、,200 W/M.K,（,AlN,）、,250W/M.K,（,BeO,）和金刚石（,1500W/M.K,）。,施加强制对流散热方式，定义对流换热系数为,40W/M,2,.K,，环境温度为,27,。,108,分析结果,不同材料基板厚度与组件结温关系图,109,分析结果,Al,2,O,3,厚度为,4.5mm,时模拟结果,基板厚度,4.5 mm Ks,20W/m.K,，强制对流,厚度为,4.5mm,时组件最高温度为,163.2,，,比原来温度高,20,110,结论,1 DC/DC,电源组件，在自然对流情况下，组件的最高温度高于设计规范要求。必须采用强制对流冷却方式。,2,当基板热导率小于封装外壳热导率时，由于扩散热阻效应，最高温度随着基板厚度的增加而增加，反之则随着基板厚度的增加而减少。,3,随着基板热导率的增加，电源组件功率芯片结温随之降低。,4 封装材料对组件最高温度的影响和基板类似。,111,4.5.3 D2PAK,功率芯片热分析,以功率器件,D2PAK,为例，说明热分析仿真与热测试过程，并对结果进行比较,112,功率芯片的热测试,113,功率芯片的热测试,114,功率芯片的热测试,115,功率芯片的热测试,116,功率芯片的热测试,在给芯片通电时，有多种连接方式可供选择，如接线板、电线、插槽等。,这些连接设备不可避免地会将热量传递到环境中，影响试验的精度，所以需要评估这些因素引起的热量。但是这些因素是相互作用的，难以确定具体某一种因素的影响，所以实验采取了不同连接方式的组合。,芯片通电的连接方式,117,功率芯片的热测试,测试结果,从中可以看到：,（,1,）焊接在封装体引脚上的粗电线比细电线更容易传递热量。,（,2,）当使用插槽时，电线对热阻几乎没有任何影响。,118,功率芯片的热分析仿真,D2PAK,封装结构 两种特制的热测试板,119,功率芯片的热分析仿真,表,3 D2PAK,模型的材料属性,120,功率芯片的热分析仿真,121,分析结果与讨论,热测试板,2,模型的温度分布云图,122,功率芯片的热分析仿真,123,4.5.2,功率芯片的热分析仿真,热测试板,1,模型的温度分布云图,124,4.5.2,功率芯片的热分析仿真,125,功率芯片的热分析仿真,126,功率芯片的热分析仿真,根据上式编写相应的,ANSYS APDL,程序，并在施加对流系数与温度相关的边界条件时调用此,APDL,程序。,127,4.5.2,功率芯片的热分析仿真,热测试板,2,模型的温度分布云图,128,功率芯片的热分析仿真,在热测试板,1,模型中可以得到同样的结论,热测试板,1,模型中的温度分布云图,129,结果比较,130,作业,内容：在,ANSYS Workbench,中对本堂课所述的,BGA,芯片进行稳态传热和瞬态和稳态传热分析，芯片结构和材料物性见课程讲义,要求：,1.,简述建模步骤（网格划分、简化假设与边界条件）,2.,绘制稳态热分析出温度云图、热通量矢量图,3,提交时间，最后一堂课，分值比例,(3040%),131,