Icepak高手案例《ANSYS Icepak進階應用導航案例》推薦

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

《ANSYS Icepak進階應用導航案例》主要講解ANSYS Icepak的高級應用專題,共包括16個專題案例,詳細講解:

• IC封裝不同熱阻的模擬計算

• IC封裝網(wǎng)絡熱阻的提取

• 風冷機箱散熱器的優(yōu)化計算

• 水冷板熱模擬計算

• 熱電制冷TEC熱模擬計算

• ANSYS Icepak對電子機箱恒溫控制的模擬計算

• 散熱孔不同模擬方法對機箱熱模擬的影響

• 模擬計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算等。

今天我們抽取芯片封裝的熱阻計算、ANSYS Icepak與Simplorer場路耦合計算兩個案例,向大家部分展示《ANSYS Icepak進階應用導航案例》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

芯片封裝的熱阻計算

以某一芯片封裝為案例,利用ANSYS Icepak計算封裝的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熱阻的計算

封裝的Rja熱阻,表示芯片的結點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標準的密閉測試機箱中,芯片通過自然冷卻進行散熱,即外側風速為0,計算芯片封裝的Rja;另一種為將芯片放置于JEDEC標準的風洞中,通過外界的強迫風冷對芯片進行散熱,需要計算不同風速下的芯片Rja熱阻,

芯片Rja熱阻的計算公式如下所示:

Rja表示芯片結點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。

進行Rja計算時,芯片務必放置于電路板上,當芯片封裝的尺寸小于27mm時,測試電路板的尺寸如圖1(a)所示;當芯片封裝尺寸大于等于27mm時,測試電路板的尺寸如圖1(b)所示。

2、自然冷卻Rja的計算

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

1)建立項目

啟動ANSYS Icepak軟件。

2)JEDEC密閉機箱的建立

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

如圖2所示,打開建立JEDEC機箱的面板。單擊選擇Natural Convection,表示建立自然對流的JEDEC機箱。輸入芯片所處的面X-Z;輸入芯片封裝的尺寸信息;輸入芯片焊球的個數(shù)272;選擇電路板的層數(shù)4-layer;勾選Create assembly,單擊Accept,完成機箱的建立。

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

表1 機箱各部件材料屬性

器件名稱	密度(kg/m3)	熱容(J/kg.k)	導熱率(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導入

點擊模型工具欄中的

,建立芯片封裝模型。將學習光盤內(nèi)的封裝模型導入Icepak;軟件自動顯示芯片封裝基板Substrate的銅箔過孔信息,保持默認的設置,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;其他保持默認設置,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場路耦合計算

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

1、場路耦合計算簡單說明

Simplorer是功能強大的多域機電系統(tǒng)設計與仿真分析軟件,可用于電氣、電磁、電力電子、控制等機電一體化系統(tǒng)的建模、設計、仿真分析和優(yōu)化;其提供了功能強大的跨學科多領域系統(tǒng)仿真平臺,可導入多個軟件的模型,實現(xiàn)多物理場場路耦合仿真。可以與Simplorer進行聯(lián)合仿真的軟件如圖1所示。

圖 1與Simplorer進行耦合計算的軟件

在ANSYSIcepak中,對某一熱模型進行瞬態(tài)CFD模擬計算,通常需要幾個小時的計算時間(需要根據(jù)模型的復雜程度和計算機本身的配置決定);工程師如果修改模型器件本身的熱耗(不同載荷對應不同的熱耗),重新進行CFD模擬計算,相應的仍然需要幾個小時的計算時間;如果需要計算不同熱耗下所對應的器件瞬態(tài)溫度,則頗費時間。

利用ANSYSIcepak對熱模型某一載荷工況進行計算,然后將CFD的計算結果作為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提取網(wǎng)絡模型。在Simplorer中修改器件的熱耗,其利用網(wǎng)絡模型,僅僅花費秒級的計算時間,便可以得到此熱耗下,器件溫度隨時間的變化曲線。

2、ANSYS Icepak的設置及計算

對熱模型進行場路耦合計算,ANSYS Icepak中的計算步驟如下:

1)單獨啟動ANSYSIcepak 15.0,Unpack學習光盤里的模型,建立ANSYSIcepak熱

模型。

2)建立的ANSYSIcepak模型如圖2所示,其中單個電容熱耗為1w,單個內(nèi)存熱

耗為2w,CPU熱耗為5w,進風口風速為1m/s。

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

3)雙擊模型樹左側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),點擊Update,然后對變量dianrong的初始值輸入0,點擊Done,如圖3所示,完成CAPACITOR熱耗變量的設置。

同理,按照上述相同的方法,對其他4個熱源的熱耗設置變量,并輸入初始值。

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

將自動監(jiān)測這些器件中心點的溫度,并顯示溫度隨時間的變化曲線。監(jiān)控點會存儲溫度隨時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)控點的個數(shù)無限制,監(jiān)控點越多,Simplorer將花費更多的時間生成狀態(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的計算結果輸出為Simplorer認可的文件。

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。其他幾個變量的數(shù)值輸入與cpu類似,如圖5所示。

各個變量數(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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