ansys 芯片熱仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時間：2023-03-07
ansys 芯片熱仿真的視頻教程
Cadence Celsius Studio從芯片到系統(tǒng)熱仿真解決方案
軟件優(yōu)勢： Cadence Celsius Studio提供完整的用于電子系統(tǒng)的AI散熱設(shè)計和分析解決方案，可用于PCB及產(chǎn)品系統(tǒng)的電子散熱設(shè)計，也可用于芯片封裝的熱與熱應(yīng)力分析。
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Ansys射頻芯片（RFIC）電磁場仿真技術(shù)介紹
Ansys chip-in-package電磁場仿真總結(jié) 講師簡介： 楊晨，Ansys ESBU高級應(yīng)用工程師，主攻方向是模擬芯片電源完整性分析、可靠性分析、RFIC電磁場分析。在分析電磁場干擾領(lǐng)域，擅長應(yīng)用ANSYS-HELIC工具，生成RFIC設(shè)計需要的電感、傳輸線等物理圖層，抽取全芯片電磁場模型，結(jié)合后仿真網(wǎng)表建立關(guān)鍵器件電磁場模型，對全芯片進行電磁風(fēng)險定性分析。
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ansys 芯片熱仿真的實例教程
該模塊由多個安裝在銅底板頂部的IGBT芯片組成，底部配有散熱器。在模塊中，電流因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，這也被稱為焦耳熱。雖然散熱器以相對恒定的速率散熱，但模塊的開關(guān)以及隨后電流密度和熱源的增減會導(dǎo)致模塊以循環(huán)的方式加熱和冷卻。這種反復(fù)的熱膨脹和機械變形會導(dǎo)致機械疲勞[1]，特別是在鍵合線和芯片金屬化層之間的連接點處。
ANSYS Icepak作為一款優(yōu)異的電子熱仿真軟件，可以對芯片封裝的各個尺度進行熱流仿真計算，小到芯片內(nèi)部0.25μm的溝道，大到cm厘米級別的封裝、芯片，都可以對其進行有效精確的熱流仿真計算。當(dāng)前，在芯片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了芯片封裝放置于JEDEC（美國聯(lián)合電子設(shè)備工程協(xié)會）標準機箱內(nèi)自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數(shù)值。芯片封裝內(nèi)的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對芯片進行詳細的熱流計算時，務(wù)必導(dǎo)入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。
封裝的布線分布及精確的導(dǎo)熱率云圖
芯片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：
芯片封裝的Rja熱阻，表示芯片的結(jié)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。下圖表示某個芯片的Rja熱阻數(shù)值（包括自然冷卻和強迫風(fēng)冷）。
某芯片封裝的Rja數(shù)值
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(cè)風(fēng)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(fēng)洞中，通過外界的強迫風(fēng)冷對芯片進行散熱，需要計算不同風(fēng)速下的芯片Rja熱阻，其中風(fēng)洞垂直距離h應(yīng)該大于測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。
展開 本文以芯片熱仿真分析為例，介紹改進Taguchi優(yōu)化算法在實際工程中的成功應(yīng)用。通過對Taguchi優(yōu)化算法的改進，引入新解的鄰域隨機生成機制和充分的內(nèi)循環(huán)搜索機制，將概率隨機策略引入到Taguchi優(yōu)化算法中，較高程度避免陷入局部最優(yōu)，從而高效的獲得全局最優(yōu)解。
一
幾何建模
首先為PCB板上三個芯片中施加發(fā)熱功率載荷，在PCB板底部和芯片周圍施加換熱邊界條件。計算三個芯片在正常工作下，整個結(jié)構(gòu)及PCB板的最高溫度。
二
優(yōu)化流程
然后為6個發(fā)熱芯片布置位置參數(shù)，生成設(shè)計模型，然后施加載荷進行熱仿真分析計算，得到結(jié)構(gòu)最高溫度，進而進行最優(yōu)方案判斷，輸出最優(yōu)設(shè)計。
展開 本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會得到什么：
1、學(xué)習(xí)芯片的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱分析步的建立
3、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)芯片瞬態(tài)熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片瞬態(tài)熱分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
本文來給大家講一講封裝級熱仿真的方法以及需要注意的問題。芯片封裝熱仿真之所以重要，主要有以下兩個原因。
首先，在一個大外形、大功率芯片（例如片上系統(tǒng) SoC）設(shè)計中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現(xiàn)問題，導(dǎo)致其無論從成本、尺寸、重量還是性能方面來看，均不能稱為理想的封裝解決方案。
其次，雖然在以往的IC設(shè)計中都已考慮到芯片溫度要均勻，但是在許多情況下，這已不再是一個有效的假設(shè)了。電流泄漏導(dǎo)致的發(fā)熱使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現(xiàn)在已小于 50μm），更是降低了芯片自身的熱擴散能力。這兩種原因使得芯片上溫度變化更大。
設(shè)計三維疊層集成電路等多晶粒芯片時，芯片封裝熱仿真設(shè)計就顯得必不可少。熱傳遞是高度的三維現(xiàn)象，封裝溫度的分布會影響芯片上的溫度分布。
本文以SOP封裝為例，介紹使用Flotherm對芯片封裝進行熱仿真分析及優(yōu)化的流程。仿真目標是確定保證芯片結(jié)溫低于150℃且熱量能夠正常耗散的最大功耗值。SOP封裝的尺寸如下圖所示。
SOP封裝在PCB板上的安裝形式及測溫點的位置如下圖所示。分別對沒有散熱器和有散熱器兩種情況進行仿真，在有散熱器的情況下在PCB板和散熱器基板之間有導(dǎo)熱膠進行連接。
仿真使用的PCB板為59x61mm的6層板，假設(shè)每層的覆銅率在每層內(nèi)分布是均勻的。基于該假設(shè)，根據(jù)每層的覆銅率計算該層的熱傳導(dǎo)系數(shù)，如下表。
首先，對沒有安裝散熱器的情況進行仿真，封裝安裝在板的主面，copper slug焊接在板子上，環(huán)境溫度為85℃。下圖為仿真結(jié)果。仿真熱耗為2w，die attach的熱導(dǎo)率為1.6W/mK。如果把die attach換成導(dǎo)熱性能更好的材料（熱導(dǎo)率為50W/Mk），結(jié)殼熱阻值會有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。
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ansys 芯片熱仿真的最新內(nèi)容
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
從智能手機的熱交互、緊湊外殼內(nèi)的高功率電路板散熱，到極端天氣下的工業(yè)設(shè)備耐候性等復(fù)雜現(xiàn)實場景，通過熱仿真技術(shù)，工程師能夠精準預(yù)測設(shè)計在不同溫度場景下的行為，深刻理解熱能如何影響產(chǎn)品的效率、可靠性與安全性，從而在研發(fā)早期快速調(diào)整設(shè)計方案，實現(xiàn)產(chǎn)品的最佳性能表現(xiàn)。
Ansys應(yīng)用類系列網(wǎng)絡(luò)研討會——熱仿真系列專題已上線，將重點介紹 Ansys 多款求解器矩陣在電子散熱、電熱耦合及復(fù)雜熱管理問題中的實際應(yīng)用
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并可儲存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。
在仿真案例中，將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩(wěn)態(tài)下到達板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應(yīng)。
目標
觀察由于一個發(fā)熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
今日16:00，Ansys官方『Synopsys-Ansys硅光芯片全新仿真方案解析』研討會將介紹 Lumerical 與 Synopsys OptoCompiler? 的光子集成電路設(shè)計集成方案。感興趣的下滑預(yù)約學(xué)習(xí)??
時間：4月28日（星期二），16:00-17:00
內(nèi)容簡介：
本次 webinar 將會介紹 Lumerical 與 Synopsys OptoCompiler
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微電子元件是冷卻系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵鏈路。由于反復(fù)接通和斷開電源，微電子元件受
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到熱循環(huán)的作用，因此，焊點處出現(xiàn)裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，從而導(dǎo)
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表面貼裝制造被廣泛用于組裝片式電阻封裝，能夠?qū)㈦娮釉苯淤N裝在印刷電路板（PCB）的表面。對更小的手持設(shè)備不斷增長的需求促使片式電阻器尺寸更小，這反過來又引發(fā)了對焊點熱疲勞壽命以及故障發(fā)生情況的擔(dān)憂。
表面貼片電阻會受到熱循環(huán)的影響。材料之間的熱膨脹差異會在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱應(yīng)力，
連接電阻與印刷電路板的焊料被視為裝配中最薄弱的環(huán)節(jié)，由于工作溫度高于焊料的
熔點，因此會產(chǎn)生稱為蠕變的變形
所有集成電路 （尤其是高速器件）都會產(chǎn)生熱量。在當(dāng)今密集的電子系統(tǒng)布局中，多
數(shù)情況下熱源都置于靠近熱敏性集成電路的位置。印刷電路板的設(shè)計人員經(jīng)常需要考
慮熱敏器件和發(fā)熱器件的相對位置，使敏感器件不至于過熱。
有一種發(fā)熱裝置是調(diào)壓器，可以產(chǎn)生幾瓦的熱量，溫度會超過 70?C。如果在設(shè)計電路
板時將這樣的裝置置于靠近包含敏感硅芯片的表面貼裝封裝的位置
攪拌摩擦焊（FSW）是一種固態(tài)焊接技術(shù)，用于金屬的連接，無需填充材料。一個圓柱形旋轉(zhuǎn)工具插入牢固夾緊的工件中，并沿著待焊縫移動。隨著工具沿焊縫移動，工具肩部與工件之間的摩擦產(chǎn)生熱量。工件材料的塑性變形也會產(chǎn)生額外的熱量。產(chǎn)生的熱量使工件材料熱軟化。工具的移動使軟化的工件材料從前部流向工具后部并在此處凝固。隨著冷卻，兩塊板之間形成一個連續(xù)的固體焊縫。整個過程中不會發(fā)生熔化，產(chǎn)生的溫度始終低于所連接金屬的固相線溫度
絕緣柵雙極性晶體管模塊（IGBT模塊）因其能夠承受高電壓、導(dǎo)通強電流，同時快速切換兩種模式，成為大功率系統(tǒng)的熱門選擇。
該模塊由多個安裝在銅底板頂部的IGBT芯片組成，底部配有散熱器。在模塊中，電流因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，這也被稱為焦耳熱。雖然散熱器以相對恒定的速率散熱，但模塊的開關(guān)以及隨后電流密度和熱源的增減會導(dǎo)致模塊以循環(huán)的方式加熱和冷卻。這種反復(fù)的熱膨脹和機械變形會導(dǎo)致機械疲勞[1]，
