Icepak高级建模教程
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Icepak培训中文教程
通过绘制等值线或等值面来展示 数据场中某一物理量的等值分布
情况，如等温线、等压面等。
数据提取与对比分析
数据提取
从结果文件中提取特定位置或区域的数据，以便进行更详细的分 析和对比。
数据对比
将不同工况或不同设计方案的结果数据进行对比，分析差异和优劣 。
趋势分析
对提取的数据进行趋势分析，如温度随时间的变化趋势、速度随空 间位置的变化趋势等，以揭示数据的内在规律。
安装完成后，启动 Icepak软件，进行初步 的设置和配置。
Icepak软件界面介绍
菜单栏提供了文件操作、编 辑、视图、工具等常用功能
。
Icepak软件界面包括菜单栏 、工具栏、模型树、属性窗
口等部分。
01
02
03
工具栏包含了常用的操作按 钮，如新建、打开、保存、
打印等。
模型树展示了当前仿真模型 的层次结构，方便用户管理
基本数据处理
对数据进行基本的处理操作，如数 据的排序、筛选、统计等，以满足 特定的分析需求。
结果可视化展示
云图显示
通过云图的方式展示数据场的分 布情况，如温度云图、速度云图 等，直观地表现数据的空间分布
特征。
矢量图显示
利用矢量图展示流场中的流动方 向和速度大小，帮助用户更好地
理解流动特性。
等值线/面显示
心温度分布和气流组织。
05
根据仿真结果优化散热设计，
如改进空调布局、提高机架通
风效率等。
06
案例三：新能源汽车散热设计
设计目标：确保新能源汽车电池组、 电机等关键部件在适宜温度下运行，
提高车辆性能和安全性。
设计步骤
建立车辆三维模型，包括电池组、电 机、散热器等组件。
情况，如等温线、等压面等。
数据提取与对比分析
数据提取
从结果文件中提取特定位置或区域的数据，以便进行更详细的分 析和对比。
数据对比
将不同工况或不同设计方案的结果数据进行对比，分析差异和优劣 。
趋势分析
对提取的数据进行趋势分析，如温度随时间的变化趋势、速度随空 间位置的变化趋势等，以揭示数据的内在规律。
安装完成后，启动 Icepak软件，进行初步 的设置和配置。
Icepak软件界面介绍
菜单栏提供了文件操作、编 辑、视图、工具等常用功能
。
Icepak软件界面包括菜单栏 、工具栏、模型树、属性窗
口等部分。
01
02
03
工具栏包含了常用的操作按 钮，如新建、打开、保存、
打印等。
模型树展示了当前仿真模型 的层次结构，方便用户管理
基本数据处理
对数据进行基本的处理操作，如数 据的排序、筛选、统计等，以满足 特定的分析需求。
结果可视化展示
云图显示
通过云图的方式展示数据场的分 布情况，如温度云图、速度云图 等，直观地表现数据的空间分布
特征。
矢量图显示
利用矢量图展示流场中的流动方 向和速度大小，帮助用户更好地
理解流动特性。
等值线/面显示
心温度分布和气流组织。
05
根据仿真结果优化散热设计，
如改进空调布局、提高机架通
风效率等。
06
案例三：新能源汽车散热设计
设计目标：确保新能源汽车电池组、 电机等关键部件在适宜温度下运行，
提高车辆性能和安全性。
设计步骤
建立车辆三维模型，包括电池组、电 机、散热器等组件。
Icepak培训中文教程pdf
菜单栏
包含文件、编辑、视图、工具、窗 口和帮助等菜单项；
工具栏
提供常用命令的快捷方式，如新建、 打开、保存、打印等；
界面布局及功能区域划分
01
02
03
项目树
显示当前打开的项目结构， 方便用户管理和导航；
属性窗口
显示选中对象的属性信息， 如几何、材料、边界条件 等；
图形窗口
用于显示和编辑三维模型 及分析结果。
数据提取与整理
用户可学习如何从模拟结果中提取所需数据，并进行整理、分析和 解释，以便在报告中呈现关键信息。
自动化报告生成
通过脚本编程或宏命令，用户可实现报告的自动化生成，大大提高 工作效率和准确性。
06
高级功能应用与拓展
多物理场耦合分析方法
热电耦合分析
研究电子设备在热场和电场共同作用下的性能表 现。
边界条件设置
根据实际问题准确设置边界条件，如温度、速度、压力等，以保证 计算结果的准确性。
求解器参数调整
根据问题类型和计算需求，调整求解器的参数设置，如松弛因子、迭 代步数等，以加速收敛和提高计算效率。
提高求解效率方法探讨
并行计算
利用多核CPU或GPU进 行并行计算，显著提高
计算速度。
算法优化
采用更高效的数值算法 和计算方法，减少计算
三维模型。
先进的网格技术
采用自适应网格技术，能够在 保证计算精度的同时提高计算
效率。
丰富的物理模型
内置多种物理模型，如热传导、 热对流、热辐射等，能够准确
模拟电子设备的热行为。
高效的求解器
采用先进的数值求解算法，能 够快速准确地求解电子设备热
分析问题。
应用领域与案例分析
Icepak培训教程
汽车工业
如电动汽车电池热管理、汽车空调系统等，Icepak可帮 助设计师优化热管理系统，提高汽车的舒适性和安全性。
案例分析
以某型服务器为例，通过Icepak建模和仿真，发现服务 器散热性能不足的问题，并提出改进方案，最终提高了服 务器的散热效率和稳定性。
02
Icepak基本操作
软件安装与启动
安装步骤
06
高级功能应用
多物理场耦合分析
热流固耦合分析
考虑热、流体和固体之间的相互 作用，精确模拟复杂系统的热性
能。
热电耦合分析
结合热传导和电传导理论，分析 电子设备热设计中的热电效应。
热光耦合分析
研究光学元件在热环境下的性能 变化，优化光学系统的热设计。
参数化设计与优化
参数化建模
灵敏度分析
通过定义设计变量和约束条件，实现 模型的参数化表达，提高设计效率。
各种热现象。
高效的求解器
采用先进的数值算法， 可实现大规模问题的快
速求解。
易于使用的界面
提供直观的用户界面和 丰富的后处理功能，方 便用户进行分析和优化
。
应用领域与案例分析
电子设备热设计
如服务器、数据中心、通信设备等，通过Icepak可优化 设备的散热性能，提高设备的可靠性和寿命。
航空航天领域
如飞机发动机、航天器等，Icepak可模拟极端环境下的 热性能，确保设备在恶劣条件下的正常工作。
提供常用命令的快捷按钮，如新建、打开、保存 、打印等。
模型树
显示当前打开的模型结构，方便用户快速定位和操 作。
属性窗口
显示选中对象的属性信息，如尺寸、材料、边界 条件等。
图形窗口
用于显示和编辑三维模型，提供多种视图和渲染效果。
Icepak高级培训教材
Introduction
简介
The Case for Thermal Management
• • • •
The heat generated in an electronic circuit is inversely proportional to the efficiency of the circuit
Cooling Methods
•
Types of cooling methods:
散热方法种类：
– Natural convection air cooling 自然对流 – Forced air cooling 强迫对流 – Immersion liquid cooling 浸润冷却 – Boiling 蒸发冷却 – Heat pipes 热管 – Cold plates 冷板 – Thermoelectric coolers 热电冷却 – Microchannel cooling 微通道冷却 – Microjet 微喷射冷却
– Moving towards system-on-chip technology
Packages are dissipating more power 功耗增加 Operating junction temperature remains fixed 工作的温度保持不变
– 55 C for commodity and handheld devices 生活用品55C – 125 C for automotive systems 汽车系统125C
Course Outline
13. Cold Plates 冷板 14. Transformers 变压器 15. Flow Baffles 气流挡板 16. Wall Effects 壁的效果 17. External Coolers/Heaters 外部冷却器/加热器 外部冷却器 加热器 Exercises: 练习： 练习： 1. PBGA Model PBGA 模型 2. Selecting a Heat Sink 选择散热器 3. Modeling TEC 热电冷却器模型 4. Selecting a Baffle 选择挡板 5. Modeling External Coolers 外部冷却器建模
2024年icepak培训教程(增加特殊条款)
icepak培训教程(增加特殊条款)Icepak培训教程1.引言Icepak是一款强大的电子系统热分析软件，广泛应用于电子产品的热设计、热测试和热优化。
本教程旨在帮助初学者快速掌握Icepak的基本操作，并能够独立完成电子系统的热分析。
2.Icepak安装与启动2.1软件安装在开始使用Icepak之前，请确保您的计算机满足软件的最低系统要求。
从Ansys官方网站Icepak安装包，并按照提示完成安装。
2.2启动软件安装完成后，双击桌面上的Icepak快捷方式，启动软件。
软件启动后，您将看到一个欢迎界面，在此可以选择新建项目或打开现有项目。
3.Icepak基本操作3.1创建项目“新建项目”按钮，在弹出的对话框中输入项目名称和保存路径，“确定”创建项目。
在Icepak中，项目文件以.iproj为扩展名保存。
3.2创建几何模型（1）导入CAD文件：“导入CAD”按钮，选择相应的CAD文件，导入到Icepak中。
（2）手动绘制：“绘制”按钮，选择相应的绘图工具，如矩形、圆形等，手动绘制几何模型。
（3）参数化建模：通过输入关键参数，快速几何模型。
3.3创建网格在Icepak中，网格是进行热分析的基础。
创建网格的步骤如下：（1）选择“网格”菜单下的“创建网格”命令。
（2）设置网格参数，如网格类型、网格大小等。
（3）“网格”按钮，网格。
3.4添加边界条件在Icepak中，边界条件用于模拟实际环境中的温度、热流等。
添加边界条件的步骤如下：（1）选择“边界条件”菜单下的相应命令，如“温度”、“热流”等。
（2）在弹出的对话框中设置边界条件参数。
（3）将边界条件应用到几何模型上。
3.5设置求解器参数在Icepak中，求解器参数用于控制热分析的求解过程。
设置求解器参数的步骤如下：（1）选择“求解器”菜单下的“求解器参数”命令。
（2）在弹出的对话框中设置求解器参数，如求解器类型、迭代次数等。
（3）“确定”按钮，保存设置。
Icepak培训中文教程版pdf
04
后处理与可视化技术
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
后处理工具介绍及使用方法
后处理工具概述 介绍Icepak中集成的后处理工具， 如数据提取、图像处理、动画生 成等功能。
动画生成 演示如何创建仿真结果的动态展 示，包括旋转、缩放、平移等操 作，以便更直观地观察和分析。
数据提取 详细讲解如何从Icepak仿真结果 中提取关键数据，如温度、流速、 压力等，并导出为CSV或Excel格 式。
图像处理 介绍如何利用后处理工具对仿真 结果进行图像处理，如色彩映射、 等值线生成、透明度调整等。
数据可视化技巧与实例展示
数据可视化技巧
分享数据可视化的基本原则和技巧，如选择合适的图表类型、调整色 彩和布局、添加标签和注释等。
结果分析与报告生成
01
结果分析方法
介绍常用的结果分析方法，如对 比分析、趋势分析、敏感性分析 等，以帮助用户深入理解仿真结 果。
02 报告生成流程
详细阐述从仿真结果到报告生成 的整个流程，包括数据整理、图 表制作、文本编辑等步骤。
03
报告内容与格式
提供报告编写的建议和范例，包 括标题、摘要、目录、正文（包 括图表和数据分析）、结论与建 议等部分。同时给出常见的报告 格式要求，如Word、PDF等。
04
注意事项与常见问 题
列出在结果分析和报告生成过程 中需要注意的事项和可能遇到的 问题，并提供相应的解决方案或 பைடு நூலகம்议。
05
散热设计案例分析
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
电子设备散热设计案例
1 2
手机散热设计 针对手机的高集成度和紧凑空间，通过合理的热 设计和散热材料选择，实现高效散热并降低温度 波动。
Icepak使用手册模型参数化
Icepak使⽤⼿册模型参数化28. 模型的参数化Icepak可以让你通过将模型参数化，来确定各个实体的⼤⼩以及其他的特性参数对计算结果的影响。
参数化的⽅法将在以下⼏个章节中说明：28.1 参数化概述28.2 在输⼊框中定义参数28.3 设置复选框28.4定义单选按钮参数（选项参数）28.5通过Parameters and optimization⾯板定义参数（设计变量）28.6 删除参数28.7 定义试验⽅案28.8 运⾏试验⽅案28.9 函数报告和函数图像28.1 参数化概述热设计的过程是通过预估各种可变参数的不同搭配的结果，从⽽确定⼀种最合适的⽅案，来满⾜设备的基本需要（例如, 最⼩的机柜规格，能使系统处以特定温度的最低风扇转速，最⼩的通风开⼝以及恰当的热沉类型和尺⼨）这就需要设计者通过计算不同参数组合下的结果来确定最优的⽅案。
通过研究这些组合的计算结果，你可以知道它们是如何影响系统性能的，从⽽优化模型的设计。
Icepak提供了⼀个便捷的研究环境，这使得设计者可以在同⼀个模型中研究在⼀个范围内变化的⼏何尺⼨、坐标、边界条件（例如：通风机的特性曲线和压⼒损失系数）和材料属性等参数对系统的影响。
之后Icepak就可以利⽤求解器来计算你选择的各种试验⽅案。
这就节省了分别建造或分析每个模型和依次计算参数连续变化的各种试验⽅案的时间。
Icepak中的参数是数字或者字符串常量，你可以⽤它们来取代实际的数字，这样就能轻松的改变它们的值来模拟不同的设计⽅案。
例如：如果你想将⼀个通风机的流量设为0.01，就可以定义⼀个名为flowrate的参数并将其值置为0.01。
你可以给⼀个参数指定多个值来对你的模型进⾏试验计算。
每个试验⽅案都是⼀系列参数的组合，这样便可以对模型进⾏多次计算。
此外，不同的设计⽅案还可以通过参数化的单选框和复选框进⾏参数检测。
⽐如，在设计时，将热沉类型由压铸型改为针翅热沉的效果，可通过打开和关闭合适的热沉进⾏两次试验来检测。
icepak中文学习教程
包含文件、编辑、视图、工具、窗口 和帮助等菜单项；
工具栏
提供常用命令的快捷方式，如新建、 打开、保存、打印等；
界面布局及主要功能模块
模型树
显示当前打开的模型结构，方便用户快速定位和 操作；
属性窗口
显示当前选中对象的属性信息，如几何参数、材 料属性等；
图形窗口
用于显示和编辑三维模型，提供多种视图和渲染 模式。
发展历程
Icepak经历了多个版本的迭代更新，不断完善功能和提高 计算精度，逐渐在电子散热领域确立了领先地位。
收购与整合
Icepak最终被ANSYS公司收购，成为ANSYS电子散热解 决方案的重要组成部分，与其他ANSYS软件实现无缝集成 。
Icepak软件功能特点
强大的建模能力
01
Icepak支持多种CAD数据格式导入，能够快速建立复杂电子设
下载Icepak软件安装包；
安装步骤
01
03 02
安装与启动Icepak软件
选择安装路径和相关组件；
完成安装后，启动Icepak软件。
安装与启动Icepak软件
启动方法
1
2
通过开始菜单找到Icepak软件，单击启动；
3
在安装路径下找到Icepak可执行文件，双击启动 。
界面布局及主要功能模块
菜单栏
05
结果后处理与可视化分析
数据提取和结果展示方法
数据提取
通过Icepak提供的后处理工具，用户可以方便地提取仿真结果中的关键数据， 如温度、流速、压力等。这些数据可以以表格、曲线图等形式展示，便于用户 进行进一步的分析和处理。
结果展示方法
Icepak支持多种结果展示方法，包括切面图、等值线图、流线图等。用户可以 根据需要选择合适的展示方法，以更直观地了解仿真结果的空间分布和变化趋 势。
工具栏
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模型树
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属性窗口
显示当前选中对象的属性信息，如几何参数、材 料属性等；
图形窗口
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发展历程
Icepak经历了多个版本的迭代更新，不断完善功能和提高 计算精度，逐渐在电子散热领域确立了领先地位。
收购与整合
Icepak最终被ANSYS公司收购，成为ANSYS电子散热解 决方案的重要组成部分，与其他ANSYS软件实现无缝集成 。
Icepak软件功能特点
强大的建模能力
01
Icepak支持多种CAD数据格式导入，能够快速建立复杂电子设
下载Icepak软件安装包；
安装步骤
01
03 02
安装与启动Icepak软件
选择安装路径和相关组件；
完成安装后，启动Icepak软件。
安装与启动Icepak软件
启动方法
1
2
通过开始菜单找到Icepak软件，单击启动；
3
在安装路径下找到Icepak可执行文件，双击启动 。
界面布局及主要功能模块
菜单栏
05
结果后处理与可视化分析
数据提取和结果展示方法
数据提取
通过Icepak提供的后处理工具，用户可以方便地提取仿真结果中的关键数据， 如温度、流速、压力等。这些数据可以以表格、曲线图等形式展示，便于用户 进行进一步的分析和处理。
结果展示方法
Icepak支持多种结果展示方法，包括切面图、等值线图、流线图等。用户可以 根据需要选择合适的展示方法，以更直观地了解仿真结果的空间分布和变化趋 势。
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– 自由电子的移动 – 晶格振动(lattice vibration)• 对流是发来自在有温差的表面和运动流体之间的传热
传热的方式
• 对流可以是:
– 自然对流 – 强迫对流
• 辐射是发生在两种没有直接接触的表面的传热:
– 能量以电磁波的形式发射出去 – 所有高于0 K的物体都有热辐射 – 几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100 micron) – 能量传递率取决于表面条件(发射率)及物体间的位置分布
Introduction
热管理
• 电子线路板产生的热与其效率成反比 • 没有转换成有用的电磁功率的功率以热的形式散失到周围
的环境
• 热耗包括:
– 焦耳热(I2R) – (电源)Power supply
• 半导体设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性
热管理
• 实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起 的: – TCE不匹配引起的热应力 Stresses due to TCE mismatch – 腐蚀 Corrosion – 电子移动 Electro-migration – 氧化物分解 Oxide breakdown – 电流泄漏 Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices) – 电性能下降 Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
冷却方法
• 微通道冷却是一种用于处理在热耗元件上紧密排列的微小 翅片的散热的方法
– 冷却剂可以是液体也可以是流体
• 热电冷却器是一种固体的热泵,没有移动的部分或是工作流 体
– 利用Peltier效应把热量从由一个地方传递到时另一个地方
• 热管是一种被使用被动的方法把热量从一个地方传递到另 一个地方的装置
Fluorocarbons IFmlomreorcsairobno-nBsoiling
0.01
0.1
1
10
Surface Heat Flux (W/cm2)
传热的方式
• 三种传热方式:
– 传导 – 对流 – 辐射
• 传导是两种直接接触的介质(固体,流体或气体)之间的传热 • 在热传导中,能量用以下方式传递:
冷却方法
• 冷却方法的种类:
– 自然对流空气散热 – 强迫对流空气散热 – 浸润冷却 – 沸腾冷却 – 热管 – 冷管 – 热电冷却 – 微通道冷却 – 微喷射冷却
• 自然对流空气散热主要用于低功耗
– 这是最简单最便宜的冷却方法
冷却方法
• 强迫对流空气散热主要用于相对较大的功耗
– 要求有风扇,离心机等来强迫空气流动
1125
Logic ICs - MSI
250
2250
Logic ICs - LSI
500
4500
Source: C.A. Harper, Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics
热管理
电子失效的主要因素
Temperature Vibration Humidity Dust
简单纲要
练习: 1. 精细网格 Mesh Refinement 2. ACE-DELPHI 比较 ACE-DELPHI Comparison 3. PBGA建模 Modeling PBGA 4. 散热器建模 Heat Sink Modeling 5. 选择散热器 Selecting Heat Sink 6. 扩展阻尼 Spreading Resistance 7. 辐射的影响 Effect of Radiation 8. 密封系统 Sealed Systems 9. TEC建模 Modeling TEC 10. 选择挡板 I Selecting Baffles I 11. 选择挡板 II Selecting Baffles II 12. 数据中心建模 Modeling Data Center
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
A, T1
A, T2 Q=-k.A.ΔT/ΔX
or,
Q=ΔT/R
ΔX
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
Q = 传递的热量 T = 温度 A = 横截面积 k = 板的热传导率 ΔX = 板的厚度 R = ΔX/(kA) = 热传导阻尼 假设板只沿一个方向传导
Advanced Thermal Modeling
简单纲要
1. 简介 Introduction 2. CFD 基础 CFD Basics 3. PCBs Printed Circuit Boards 4. IC封装 IC Packages 5. 散热器 Heat Sinks 6. 接触阻尼 Interface Resistance 7. 风扇，叶轮，离心风机 Fans, Impellers and Blowers 8. 高度的影响 Altitude Effects 9. 流动阻尼 Flow Resistances 10. 辐射 Radiation 11. 热管 Heat Pipes 12. 焦耳热 Joule Heating 13. 热电冷却 Thermoelectric Coolers 14. 冷板 Cold Plates 15. 变压器 Transformers 16. 气流挡板 Flow Baffles 17. 外部冷却器/加热器 External Coolers/Heaters
– Moving towards system-on-chip technology
• 封装的功耗越来越大 • 节点(junction)工作温度保持不变
– 日用和手持设备55 C – 汽车系统125C
• Budget per watt of heat removal is decreasing
封装的趋势
20-200 200-2000 250-2500 1000-10000
Thermal Resistance, R (C/W)
5000-400 500-50 400-40 100-10
500-50 50-5 40-4 10-1
对流: 影响h的因素
• 热传递系数, h, 取决于许多因素:
– 湍流的h比层流的热传递系数大 – 一般,强迫对流的h比自然对流的大 – 液体的h比气体的大 – 粗糙表面的h比光滑表面的大(取决于流动的湍流度) – 不完全发展的流动的h比完全发展流动的大 – 非稳态的h比稳态的大
CFD 基础
什么是 CFD?
• 计算流体动力学(CFD)是一种求解数学方程组来预测流体流 动,热交换,质量交换,化学反应及相关现象的科学
• 浸润冷却是把元件浸润在惰性绝缘流体中(如弗里昂),用于 冷却大的热载荷, – 这种冷却的典型应用包括大型主机,超级计算机,大功率交换器 等. • 沸腾冷却靠一种沸腾流体吸收热量,主要用于大功率
• 冷板是一个金属块,由强迫对流的液体冷却,电路板或组件就 安装在冷板上 – 用于军用设备和大功率电子器件
对流: 典型值
h 和 R 的典型值
Natural Convection Air
Oils
Fluorinerts
Water
Forced Convection Air
Oils
Fluorinets
Water
Heat Transfer Coeff., h, (W/m2-C)
2-25 20-200 25-250 100-1000
热管理
• 电子封装的失效率与热成正比，而且与封装的
最高温度成指数增长
• 失效率可以表示为:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常数 E = 电子激活能量(eV) K = 波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K) T = 节点(junction)温度 (以K为单位)
热管理
10
200
20 30
390 730
失效率随着温度的升高而变大
40 1310 (from a base temperature of 50 C)
50
2280
60
3860
Increase in Failure, %
2500
2000
1500
1000
500
0
10
20
30
40
50
Temperature Rise, C
热管理
封装温度对失效的影响
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
T2
A
A
k1 k2 k3
L1 L2 L3
Q = (T2 - T1)/R
R = R1 + R2 + R3 R1 = L1/(A.k1) R2 = L2/(A.k2) R3 = L3/(A.k3)
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
A3
k1
A2
k2
A1
封装功耗发展趋势(Watts)
Market Application Year 1998-2000 Year 2001-2003 Year 2004-2006
Commodity
1
1
1
Hand-Held
2
2
2
Cost/Performance
18
22
28
High Performance
100
120
140
Harsh
k3
L
T2
Q = (T2 - T1)/R
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 R1 = L/(A1.k1) R2 = L/(A2.k2) R3 = L/(A3.k3)
传热的方式
• 对流可以是:
– 自然对流 – 强迫对流
• 辐射是发生在两种没有直接接触的表面的传热:
– 能量以电磁波的形式发射出去 – 所有高于0 K的物体都有热辐射 – 几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100 micron) – 能量传递率取决于表面条件(发射率)及物体间的位置分布
Introduction
热管理
• 电子线路板产生的热与其效率成反比 • 没有转换成有用的电磁功率的功率以热的形式散失到周围
的环境
• 热耗包括:
– 焦耳热(I2R) – (电源)Power supply
• 半导体设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性
热管理
• 实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起 的: – TCE不匹配引起的热应力 Stresses due to TCE mismatch – 腐蚀 Corrosion – 电子移动 Electro-migration – 氧化物分解 Oxide breakdown – 电流泄漏 Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices) – 电性能下降 Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
冷却方法
• 微通道冷却是一种用于处理在热耗元件上紧密排列的微小 翅片的散热的方法
– 冷却剂可以是液体也可以是流体
• 热电冷却器是一种固体的热泵,没有移动的部分或是工作流 体
– 利用Peltier效应把热量从由一个地方传递到时另一个地方
• 热管是一种被使用被动的方法把热量从一个地方传递到另 一个地方的装置
Fluorocarbons IFmlomreorcsairobno-nBsoiling
0.01
0.1
1
10
Surface Heat Flux (W/cm2)
传热的方式
• 三种传热方式:
– 传导 – 对流 – 辐射
• 传导是两种直接接触的介质(固体,流体或气体)之间的传热 • 在热传导中,能量用以下方式传递:
冷却方法
• 冷却方法的种类:
– 自然对流空气散热 – 强迫对流空气散热 – 浸润冷却 – 沸腾冷却 – 热管 – 冷管 – 热电冷却 – 微通道冷却 – 微喷射冷却
• 自然对流空气散热主要用于低功耗
– 这是最简单最便宜的冷却方法
冷却方法
• 强迫对流空气散热主要用于相对较大的功耗
– 要求有风扇,离心机等来强迫空气流动
1125
Logic ICs - MSI
250
2250
Logic ICs - LSI
500
4500
Source: C.A. Harper, Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics
热管理
电子失效的主要因素
Temperature Vibration Humidity Dust
简单纲要
练习: 1. 精细网格 Mesh Refinement 2. ACE-DELPHI 比较 ACE-DELPHI Comparison 3. PBGA建模 Modeling PBGA 4. 散热器建模 Heat Sink Modeling 5. 选择散热器 Selecting Heat Sink 6. 扩展阻尼 Spreading Resistance 7. 辐射的影响 Effect of Radiation 8. 密封系统 Sealed Systems 9. TEC建模 Modeling TEC 10. 选择挡板 I Selecting Baffles I 11. 选择挡板 II Selecting Baffles II 12. 数据中心建模 Modeling Data Center
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
A, T1
A, T2 Q=-k.A.ΔT/ΔX
or,
Q=ΔT/R
ΔX
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
Q = 传递的热量 T = 温度 A = 横截面积 k = 板的热传导率 ΔX = 板的厚度 R = ΔX/(kA) = 热传导阻尼 假设板只沿一个方向传导
Advanced Thermal Modeling
简单纲要
1. 简介 Introduction 2. CFD 基础 CFD Basics 3. PCBs Printed Circuit Boards 4. IC封装 IC Packages 5. 散热器 Heat Sinks 6. 接触阻尼 Interface Resistance 7. 风扇，叶轮，离心风机 Fans, Impellers and Blowers 8. 高度的影响 Altitude Effects 9. 流动阻尼 Flow Resistances 10. 辐射 Radiation 11. 热管 Heat Pipes 12. 焦耳热 Joule Heating 13. 热电冷却 Thermoelectric Coolers 14. 冷板 Cold Plates 15. 变压器 Transformers 16. 气流挡板 Flow Baffles 17. 外部冷却器/加热器 External Coolers/Heaters
– Moving towards system-on-chip technology
• 封装的功耗越来越大 • 节点(junction)工作温度保持不变
– 日用和手持设备55 C – 汽车系统125C
• Budget per watt of heat removal is decreasing
封装的趋势
20-200 200-2000 250-2500 1000-10000
Thermal Resistance, R (C/W)
5000-400 500-50 400-40 100-10
500-50 50-5 40-4 10-1
对流: 影响h的因素
• 热传递系数, h, 取决于许多因素:
– 湍流的h比层流的热传递系数大 – 一般,强迫对流的h比自然对流的大 – 液体的h比气体的大 – 粗糙表面的h比光滑表面的大(取决于流动的湍流度) – 不完全发展的流动的h比完全发展流动的大 – 非稳态的h比稳态的大
CFD 基础
什么是 CFD?
• 计算流体动力学(CFD)是一种求解数学方程组来预测流体流 动,热交换,质量交换,化学反应及相关现象的科学
• 浸润冷却是把元件浸润在惰性绝缘流体中(如弗里昂),用于 冷却大的热载荷, – 这种冷却的典型应用包括大型主机,超级计算机,大功率交换器 等. • 沸腾冷却靠一种沸腾流体吸收热量,主要用于大功率
• 冷板是一个金属块,由强迫对流的液体冷却,电路板或组件就 安装在冷板上 – 用于军用设备和大功率电子器件
对流: 典型值
h 和 R 的典型值
Natural Convection Air
Oils
Fluorinerts
Water
Forced Convection Air
Oils
Fluorinets
Water
Heat Transfer Coeff., h, (W/m2-C)
2-25 20-200 25-250 100-1000
热管理
• 电子封装的失效率与热成正比，而且与封装的
最高温度成指数增长
• 失效率可以表示为:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常数 E = 电子激活能量(eV) K = 波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K) T = 节点(junction)温度 (以K为单位)
热管理
10
200
20 30
390 730
失效率随着温度的升高而变大
40 1310 (from a base temperature of 50 C)
50
2280
60
3860
Increase in Failure, %
2500
2000
1500
1000
500
0
10
20
30
40
50
Temperature Rise, C
热管理
封装温度对失效的影响
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
T2
A
A
k1 k2 k3
L1 L2 L3
Q = (T2 - T1)/R
R = R1 + R2 + R3 R1 = L1/(A.k1) R2 = L2/(A.k2) R3 = L3/(A.k3)
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
A3
k1
A2
k2
A1
封装功耗发展趋势(Watts)
Market Application Year 1998-2000 Year 2001-2003 Year 2004-2006
Commodity
1
1
1
Hand-Held
2
2
2
Cost/Performance
18
22
28
High Performance
100
120
140
Harsh
k3
L
T2
Q = (T2 - T1)/R
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 R1 = L/(A1.k1) R2 = L/(A2.k2) R3 = L/(A3.k3)