热仿真案例-封装级热分析
芯片封装的热阻分析
芯⽚封装的热阻分析概述半导体器件散热的三个主要途径是:封装顶部到空⽓，或者封装顶部到散热⽚再到空⽓封装底部到电路板封装引脚到电路板在JEDEC中以热阻Theta来表⽰，其中ThetaJA参数综合了Die的⼤⼩, 封装⽅式，填充材料，封装材料，引脚设计，外部散热⽚和外部电路板的属性多个因素；ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯⽚和封装本⾝的，不会随着芯⽚封装外部环境的改变⽽改变。
关于芯⽚外部温度的趣事半导体元器件"烫⼿"未必不正常，55C摄⽒温度就会让⼈感觉发烫，很多⼤功率的芯⽚，表⾯温度可以达到85C摄⽒度以上。
对于Thermal测量的⼏个参数的困惑JEDEC对芯⽚封装的热性能参数的定义热阻参数ThetaJA，结到空⽓环境的热阻，= (Tj-Ta)/PThetaJC，结到封装外壳的热阻，= (Tj-Tc)/P, ⼀般⽽⾔是到封装顶部的热阻，所以⼀般的，ThetaJC = ThetaJTThetaJB，结到PCB的热阻， = (Tj-Tb)/P热特性参数PsiJT，结到封装顶部的热参数，=(Tj-Tt)/PPsiJB, 结到封装底部的热参数，=(Tj-Tb)/P其中:Tj - 芯⽚结温Ta - 芯⽚环境温度Tb - 芯⽚底部的表⾯温度Tc/Tt - 芯⽚顶部的表⾯温度按照JESD测量⽅法得出的ThetaJA热阻参数是对封装的品质度量，并⾮是application specific的热阻参数，只能是芯⽚封装的热性能品质参数的⽐较，不能应⽤于实际测量和分析中的结温预测。
PsiJT和PsiJB和ThetaXX参数不同，并⾮是器件的热阻值，只是数学构造物。
ThetaJA 结到空⽓环境的热阻ThetaJA是最常使⽤的热阻参数，也是最容易引起误解的参数。
IDT公司的定义ThetaJA = (Tj - Ta)/PThetaJA = (ThetaJB + ThetaBA) || (ThetaJC + ThetaCA);其中ThetaXY = (Tx - Ty)/PAltera公司的定义Without a heat sink, ThetaJA = ThetaJC + ThetaCA = (Tj - Ta)/PWith a heat sink , ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA = (Tj - Ta)/P实际上，Altera公司对加散热器的ThetaJA的定义不够严谨，散热器的引⼊相当于增加了⼀个散热通道，即增加了从管壳(Case)到散热器(heat Sink)的散热通道，所以加⼊散热器后，ThetaJA(heat sink) = ThetaJC + ( ThetaCA || ( ThetaCS + ThetaSA) )由于ThetaCA >> (ThetaCS + ThetaSA), 所以上式才可以近似化简为:ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA, 其中ThetaCS通常是导热硅脂或者硅胶, 热阻⾮常⼩TI公司的定义根据TI⽂档spra953c的描述, JESD定义ThetaJA的初衷是为了⼀种封装的相对热阻性能可以被互相⽐较，⽐如TI公司的某个芯⽚的热阻性能和其它公司的热阻性能做对⽐，前提是两家公司都是⽤JESD51-x中规定的标准⽅法来做测试，但是⼤部分芯⽚的热阻系数不会严格按照JESD51中规定的标准⽅法进⾏测量。
热仿真案例-封装级热分析
在系统级产品分析中，往往把单个芯片当作“黑盒”，用块或热阻模型来代替。
然而实际上，芯片内部结构复杂，尤其是MCM,SIP等产品，各处温度及发热量差别很大。
利用热仿真工具对芯片内部结构详细建模，分析其热特性，准确知道芯片内部的温度分布。
下图是某个Mini-Sip芯片的热分析：
下图是IGBT的详细分析:
下图是IGBT瞬态变化（比如启动时）的热分析，研究芯片内部各部件的温升状态:
芯片制造商在其datasheet中必须标注热阻信息，然后芯片热阻测价格不菲，有时为了测试需要安装专门的热测试引脚。
利用热仿真，建立JEDEC芯片热阻测试的标准模型（自然散热及强迫风冷），能非常精确的计算芯片热阻（Rjc，Rjb，Rja）。
热分析实验报告仿真(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在通过仿真软件对某电子设备进行热分析，了解设备在正常工作状态下的温度分布，分析设备的散热性能，为设备的结构优化和热设计提供理论依据。
二、实验背景随着电子技术的不断发展，电子设备的功能和复杂程度不断提高，集成度也越来越高。
然而，电子设备单位体积的功耗不断增大，导致设备温度迅速上升，从而引起设备故障。
因此，对电子设备进行热分析，优化散热设计，对于提高设备的可靠性和使用寿命具有重要意义。
三、实验方法1. 选择仿真软件：本实验选用Ansys Fluent软件进行热分析。
2. 建立模型：根据实际设备结构，在CAD软件中建立三维模型，并将其导入Ansys Fluent中进行网格划分。
3. 定义材料属性：设置模型的材料属性，包括热导率、比热容、密度等。
4. 设置边界条件：根据设备的工作环境，设置边界条件，如环境温度、热流密度等。
5. 定义求解器：选择适当的求解器，如稳态热传导、瞬态热传导等。
6. 运行仿真：启动仿真计算，获取设备在正常工作状态下的温度分布。
7. 分析结果：对仿真结果进行分析，评估设备的散热性能。
四、实验结果与分析1. 温度分布通过仿真计算，得到设备在正常工作状态下的温度分布如图1所示。
由图可知，设备的热量主要集中在散热器附近，温度最高点约为80℃，远低于设备的最高工作温度。
2. 散热性能从仿真结果可以看出，设备散热性能良好，主要表现在以下几个方面：（1）温度分布均匀：设备内部温度分布较为均匀，没有出现明显的热点区域。
（2）散热器效果显著：散热器可以有效降低设备温度，提高设备散热性能。
（3）环境温度影响较小：在环境温度较高的情况下，设备温度升高幅度较小。
3. 优化建议根据仿真结果，提出以下优化建议：（1）优化散热器设计：考虑采用更大面积的散热器，提高散热效率。
（2）改进结构设计：优化设备内部结构，提高散热通道的流通性。
（3）采用新型散热材料：研究新型散热材料，降低设备的热阻。
大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展
大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展引言：环境保护及能源问题已经成为影响人类社会发展的全球性问题，发展半导体照明对节能、环保和建设节约型社会都有重要的战略意义，正逐渐成为人们的共识。
在世界的电力使用结构中，照明用电约占总用电量的19%，照明耗能是世界能源耗能重要组成部分。
国际能源署（IEA）2006年的研究报告指出，如果不采取积极措施，全球2030年的照明能源消耗将比现在高出80%。
另一方面，中国作为13亿的人口大国，电力能源相对来说比较贫乏，并且随着经济发展，人民生活水平的提高，照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。
早在上世纪九十年代，我国照明用电的年增长已在15%以上，但在我国照明用电的结构中传统灯具仍占极大比例。
LED由于以下优点成为21世纪新的照明能源，将取代白炽灯：理论上更高的发光效率，可达到300lm/W，寿命长，结构牢固，冷光源，环保，淘汰器件小，反应时间快，亮度可调，颜色可变。
目前LED灯最大的制约问题是散热。
由于其发光效率仅能达到10%～20%，80%～90%的能量转化成了热能。
随着LED产品功率密度和封装密度的提高，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
这样，在推广照明用高功率密度高亮度LED产品时必需选择有效的散热解决方案。
为减小LED芯片的结温，当前主要从三方面设法提高产品的热散失能力：1通过提高工艺和采用新材料来提高LED芯片的发光效率，降低其热功率；2积极寻找新的封装方法和材料，将LED芯片产生的热量更有效地导出；3采用高效的外部散热方式，迅速将热量从LED基板导到环境中。
一提高LED芯片的发光效率由于LED芯片的转化效率不高，只有百分之十的能量转化为光能，大约80%的能量都转化为热能。
1W的芯片的热功率就约有0.8W，故如果能够改善芯片结构，提高转化效率，降低芯片热功率，能够从根本上解决LED散热问题。
sot223封装热仿真建模
sot223封装热仿真建模SOT223封装是一种中等尺寸的表面贴装封装，常用于功率半导体器件的安装。
在热仿真建模中，准确地模拟和预测SOT223封装器件的热管理是非常重要的。
本文将介绍如何进行SOT223封装的热仿真建模，并提供相关参考内容。
热仿真建模是通过软件工具模拟器件在不同工作条件下的温度分布和热传输特性。
在SOT223封装的热仿真建模中，我们需要考虑以下几个因素：1. 材料特性：SOT223封装通常由塑料材料制成，材料的热导率、热容量以及热膨胀系数是建模的关键参数。
2. 热阻特性：SOT223封装器件与散热器之间的热阻会显著影响温度分布。
这取决于器件的散热设计以及与散热器之间的接触面积和接触质量。
3. 功率损耗：SOT223封装器件的功率损耗会导致温度升高。
在建模中，需要准确地估计功率损耗，并将其作为热源输入。
有许多商业和开源软件工具可以用于SOT223封装的热仿真建模。
以下是一些常用的软件和参考资源：1. ANSYS Icepak：ANSYS是一个广泛使用的商业有限元分析软件。
其Icepak模块可以用于对电子器件的热管理进行建模和仿真，包括SOT223封装。
2. COMSOL Multiphysics：COMSOL Multiphysics是另一个广泛使用的商业多物理场仿真软件。
它提供了非常灵活的建模工具，可以用于SOT223封装的热仿真建模。
3. LTspice: LTspice是一款由Linear Technology开发的免费的电路仿真软件。
它可以用于模拟电路中的电源管理和散热问题，可以方便地建立SOT223封装的热模型。
4. 《ANSYS Icepak12.0热分析应用实例详解》（电子工业出版社）：本书详细介绍了ANSYS Icepak软件在电子器件热管理中的应用实例，其中包括封装热仿真建模的内容。
5. 《COMSOL多物理场仿真与应用》（电子工业出版社）：该书介绍了COMSOL Multiphysics软件在多个领域的应用，其中包括电子器件和封装的热仿真建模。
Icepak封装热解决方案
封装基板导热的详细模拟
• Icepak可以导入封装基板的Trace数 据，并基于此，对当地的导热系数 根据其残铜率进行评估
此举极大该散了封装结构散热通道 模拟的准确性 可以获得更高精度的温度分布和热 阻值
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© 2011 ANSYS, Inc.
June 12, 2014
Release 14.0
June 12, 2014
Release 14.0
DELPHI 模型抽取
DELPHI 模型
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Top Inner
Top Outer Thermal Resistors
用于系统级散热的封装热网络模型标准 Icepak的DELPHI Extractor 可以使用MS Excel自动生成 DELPHI模型 DELPHI是BCI模型(Boundary Conditions Independent)
快速建模功能 ECAD & MCAD 数据导入
Icepak Object工具图标
贴体网格自动划分 Fluent 求解器 结果可视化 WB 集成 (多物理场耦合)
只要点击相应的Object，就可生成新的器件 Icepak Object类型
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© 2011 ANSYS, Inc.
June 12, 2014
ANSYS ICEPAK的专业之处
ANSYS Icepak可集成于Workbench，与 其它ANSYS工具互连 Design Modeler (MCAD 连接)
快速建模功能 ECAD & MCAD 数据导入 贴体网格自动划分 Fluent 求解器 结果可视化
ANSYS Mechanical (热应力)
IDF MCM BRD Gerber ANF ODB++
ansys icepak 对芯片封装热阻的仿真计算过程
ansys icepak 对芯片封装热阻的仿真计算过程ANSYS Icepak是一款用于热管理系统仿真的软件。
下面是使用ANSYS Icepak进行芯片封装热阻仿真计算的一般过程：1. 创建几何模型：使用ANSYS DesignModeler或导入外部CAD文件创建芯片封装的几何模型。
该模型应包括芯片、封装材料、散热器等组件。
2. 定义材料属性：定义各组件的热导率、热容和密度等材料属性。
这些属性可以通过材料库中的预定义材料进行选择或手动输入。
3. 设置边界条件：为模型定义边界条件，例如输入功率、环境温度和对流热通量等。
这些条件模拟了实际工作条件。
4. 划分网格：使用ANSYS Icepak的网格划分工具对几何模型进行网格划分。
划分的网格应具有足够的精度以捕捉流动和温度梯度的变化。
5. 设置求解器选项：选择合适的求解器选项，例如收敛准则、迭代次数和求解时间步长等。
这些选项将影响仿真的结果精度和计算时间。
6. 进行仿真计算：运行仿真计算以求解热传导方程和流体力学方程。
ANSYS Icepak将使用选定的求解器和网格对模型的热传导和流动进行求解。
7. 分析结果：分析仿真结果，包括温度分布、热阻、对流和辐射热传输等。
这些结果可用于评估芯片封装的热性能，并进行优化设计。
8. 优化设计：根据仿真结果，根据需要对芯片封装进行优化设计，例如改变材料、几何形状或散热器结构等。
9. 重新仿真计算：根据优化设计的参数，重新进行仿真计算以评估改进的热性能。
如果需要进一步优化，可以重复步骤8和9，直到满足设计要求。
以上是一个一般的ANSYS Icepak对芯片封装热阻进行仿真计算的过程。
具体的步骤和设置参数会根据具体的模型和需求而有所不同。
一种高功率LED封装的热分析
收稿日期:2005-05-10. 光电器件一种高功率L ED 封装的热分析马泽涛1,朱大庆1,王晓军2(华中科技大学1.激光技术国家重点实验室;2.微系统中心,湖北武汉430074)摘 要: 建立了大功率发光二极管(L ED )器件的一种封装结构并利用有限元分析软件对其进行了热分析,比较了采用不同材料作为L ED 芯片热沉的散热性能。
最后分析了L ED 芯片采用chip 2on 2board 技术封装在新型高热导率复合材料散热板上的散热性能。
关键词: 高功率L ED ;芯片热沉;热管理;chip 2on 2board 中图分类号:TN312.8 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)01-0016-04Thermal Analysis of High 2pow er Light 2emitting Diode PackagesMA Ze 2tao 1,ZHU Da 2qing 1,WAN G Xiao 2jun 2(1.N ational Laboratory of Laser T echnology;2.Institute of Microsystems ,H u azhong U niversity of Science and T echnology ,Wuhan 430074,CHN )Abstract : A novel package and t hermal analysis based on FEA software for high power L ED were p resented.Heat dissipation of different die heat 2sink materials was ter ,t he heat performance of L ED package utilizing chip 2on 2board technology on a novel composite materials wit h high t hermoconductivity was st udied.K ey w ords : high 2power L ED ;heat sink ;t hermal management ;chip 2on 2board1 引言目前,比较成熟的商品化功率型发光二极管(L ED )输入功率一般为1W ,芯片面积1mm ×1mm ,其热流密度达到了100W/cm 2。
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在系统级产品分析中，往往把单个芯片当作“黑盒”，用块或热阻模型来代替。
然而实际上，芯片内部结构复杂，尤其是MCM,SIP等产品，各处温度及发热量差别很大。
利用热仿真工具对芯片内部结构详细建模，分析其热特性，准确知道芯片内部的温度分布。
下图是某个Mini-Sip芯片的热分析：
下图是IGBT的详细分析:
下图是IGBT瞬态变化（比如启动时）的热分析，研究芯片内部各部件的温升状态:
芯片制造商在其datasheet中必须标注热阻信息，然后芯片热阻测价格不菲，有时为了测试需要安装专门的热测试引脚。
利用热仿真，建立JEDEC芯片热阻测试的标准模型（自然散热及强迫风冷），能非常精确的计算芯片热阻（Rjc，Rjb，Rja）。