ansys 芯片熱仿真的案例
AnsysWB-IGBT芯片穩態熱仿真 ￥30
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，但模塊的開關以及隨后電流密度和熱源的增減會導致模塊以循環的方式加熱和冷卻。這種反復的熱膨脹和機械變形會導致機械疲勞[1]，特別是在鍵合線和芯片金屬化層之間的連接點處。
熱仿真在芯片研發中的作用及熱阻講解—為什么任正非說芯片熱分析是尖端技術？
ANSYS Icepak作為一款優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（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。芯片封裝內的銅箔布線和過孔，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，務必導入其布線過孔信息，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熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。
某芯片封裝的Rja數值
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，其中風洞垂直距離h應該大于測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。
展開 聯合仿真實現芯片熱仿真分析流程迭代優化應用
本文以芯片熱仿真分析為例，介紹改進Taguchi優化算法在實際工程中的成功應用。通過對Taguchi優化算法的改進，引入新解的鄰域隨機生成機制和充分的內循環搜索機制，將概率隨機策略引入到Taguchi優化算法中，較高程度避免陷入局部最優，從而高效的獲得全局最優解。
一
幾何建模
首先為PCB板上三個芯片中施加發熱功率載荷，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，整個結構及PCB板的最高溫度。
二
優化流程
然后為6個發熱芯片布置位置參數，生成設計模型，然后施加載荷進行熱仿真分析計算，得到結構最高溫度，進而進行最優方案判斷，輸出最優設計。
展開 芯片封裝熱仿真詳解
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 SoC）設計中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現問題，導致其無論從成本、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了。電流泄漏導致的發熱使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現在已小于 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。
設計三維疊層集成電路等多晶粒芯片時，芯片封裝熱仿真設計就顯得必不可少。熱傳遞是高度的三維現象，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化的流程。仿真目標是確定保證芯片結溫低于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熱膠進行連接。
仿真使用的PCB板為59x61mm的6層板，假設每層的覆銅率在每層內分布是均勻的。基于該假設，根據每層的覆銅率計算該層的熱傳導系數，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，環境溫度為85℃。下圖為仿真結果。仿真熱耗為2w，die attach的熱導率為1.6W/mK。如果把die attach換成導熱性能更好的材料（熱導率為50W/Mk），結殼熱阻值會有明顯的降低，由6.61℃/W降低到1.12℃/W。
展開 
ANSYS workbench 芯片瞬態熱分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習芯片的三維模型處理
2、學習芯片瞬態熱分析步的建立
3、學習芯片瞬態熱分析的載荷施加
4、學習芯片瞬態熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片瞬態熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
手機、電腦、智能家電等智能化設備都離不開芯片，隨著人們對智能化設備的功能要求越來越多樣化，芯片不斷朝著小尺寸、多功能、高密度、高功耗的方向發展，隨之而來的是越來越嚴重的發熱問題。芯片過熱會導致其性能下降，壽命縮短，造成不可逆損壞，這已經成為制約半導體發展的主要因素。
芯片在出廠前首先要對其進行封裝，封裝是為了實現半導體芯片與外界交換信號并保護其免受各種外部因素影響。為了確保芯片能夠穩定工作并延長使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進行熱仿真分析。芯片熱仿真分析能夠在樣品和產品開始生產之前發現熱問題，指導設計優化，以保證芯片工作時的溫度不超過其最大結點溫度，從而減少打樣試錯次數，節約時間和成本，縮短研發周期，提高產品質量。
現階段，各類電子設備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風機等設備增強空氣循環，將散熱器上的熱量帶走。
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結到環境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。其中Rja與器件所處的環境有關，且器件規格書中的規定值一般為生產商基于標準環境測試，而往往實際應用環境和標準測試環境差別較大，Rja很難應用于芯片結溫預計，更多的應用于定性對比不同封裝芯片的散熱能力。因此，在實際應用時，更多的采用結殼熱阻Rjc和結板熱阻Rjb評價器件的散熱能力，由此便產生了雙熱阻模型。
在建立雙熱阻模型時一般做如下假設：
①結點熱量僅存在兩條散熱途徑：通過上表面傳遞到空氣中或散熱器上，通過下表面傳遞到PCB板上；
②上下表面為等溫面，不發生熱量傳遞；
③結點熱量不通過側面傳遞。
展開 如何破解芯片封裝熱仿真技術“卡脖子”難題？
手機、電腦、智能家電等智能化設備都離不開芯片，隨著人們對智能化設備的功能要求越來越多樣化，芯片不斷朝著小尺寸、多功能、高密度、高功耗的方向發展，隨之而來的是越來越嚴重的發熱問題。芯片過熱會導致其性能下降，壽命縮短，造成不可逆損壞，這已經成為制約半導體發展的主要因素。
芯片在出廠前首先要對其進行封裝，封裝是為了實現半導體芯片與外界交換信號并保護其免受各種外部因素影響。為了確保芯片能夠穩定工作并延長使用壽命，工程師需要在芯片封裝前進行熱仿真分析。芯片熱仿真分析能夠在樣品和產品開始生產之前發現熱問題，指導設計優化，以保證芯片工作時的溫度不超過其最大結點溫度，從而減少打樣試錯次數，節約時間和成本，縮短研發周期，提高產品質量。
目前，CAE仿真軟件國產化率較低。為解決ICT領域“卡脖子”的難題，云道智造基于根技術平臺開發了“電子散熱模塊”，率先實現自主化替代，其對標占據市場90%份額的兩款國際商業軟件，已在國內電子通信龍頭企業、芯片企業得到標桿性應用，并面向相關行業領域進行推廣。
云道智造“電子散熱模塊”
“電子散熱模塊”是針對電子元器件、設備等散熱的專用 熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的
熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析。可廣泛應用于通信設備、電子產品、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。
產品優勢：
點擊圖片 獲取產品資料
現階段，各類電子設備普遍采用強制空氣對流的方式來冷卻發熱器件，即通過在芯片上加裝散熱器將芯片散發的熱量傳遞到散熱片上，并加裝風機等設備增強空氣循環，將散熱器上的熱量帶走。
展開 AnsysWB-基于熱循環載荷的焊球熱應力仿真 ￥15
由于反復接通和斷開電源，微電子元件受
</div><div contenteditable="false" width="100%">
到熱循環的作用，因此，焊點處出現裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，從而導
</div><div contenteditable="false" width="100%">
致故障。
</div><p>本例基于 “非線性結構材料模塊”中的模型 “黏塑性焊點”。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
<img src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png?
展開 做芯片和電路板的熱保護的仿真的，可以聯系我
有時間承接我司項目的請聯系我，微信/qq：1095246932
Cadence Celsius Studio從芯片到系統熱仿真解決方案【9月25日直播】
而且能與 Cadence 芯片、封裝、PCB 和微波設計平臺無縫集成，支持設計同步熱分析和最終簽核。</p><h3 class="ql-align-center">直播推薦</h3><p>想要繼續了解Cadence Celsius Studio具體功能以及電子系統散熱解決方案，歡迎各位小伙伴報名<strong>【Cadence Celsius Studio從芯片到系統熱仿真解決方案】</strong>直播獲取更多詳情。??下滑查看直播詳細內容??一鍵報名~</p><p><strong> 1??直播標題：</strong>Cadence Celsius Studio從芯片到系統熱仿真解決方案</p><p><strong> 2??直播時間：</strong>9月25日 19:30</p><p><strong> 3??講師介紹：</strong>劉霽鑫</p><p>Cadence熱仿真工具資深技術支持工程師，負責Cadence Celsius仿真工具的推廣與技術支持，為消費電子、通訊電子、汽車電子等領域的客戶提供從芯片級、封裝級、板級到系統級全尺度的熱解決方案，在散熱設計領域有多年行業經驗與技術積累。</p><p><strong> 4??直播內容：</strong></p><p>Cadence Celsius Studio提供完整的用于電子系統的AI散熱設計和分析解決方案，可用于PCB及產品系統的電子散熱設計、芯片封裝的熱與熱應力分析。</p><p>本次直播主要介紹Celsius Studio的相關功能模塊，及其典型應用場景，包括多物理場分析能力，多尺度分析方法，與其他工具集成實現設計內分析，以及AI賦能仿真優化。</p><p>針對當前的熱設計挑戰，Celsius 還可以協助設計人員迅速識別熱風險，實現散熱設計優化。
展開 仿真技術與芯片并行，探討其不同部分的熱傳輸以及散熱效果
現今的芯片設計已經達到億門級集成度，即便經驗最豐富的設計工程師也無法憑手工完成。在芯片設計過程中，仿真驗證是十分重要的一個環節，以確保芯片在進入生產環節前能夠符合預期設計性能要求。而其中芯片的熱傳輸和散熱性能是至關重要的一點。
芯片散熱模擬
大多數功率半導體器件的結構都非常相似。這是一個熱模型示例，其中包含芯片、引腳、銅片等分立建模元件。
詳細熱模型（左下）和詳細芯片結構（右）
芯片的整體厚度為240 μm。這可以分成兩部分：芯片體，可以導熱但不散熱；較薄的芯片結點，可以導熱，并且當器件傳導電流時幫助芯片散熱。在芯片頂部，有5 μm的鋁層。這種芯片細節水平對于分析器件瞬態散熱非常重要。
由于芯片的非統一特性，工程師們無法立即了解芯片節點散熱時器件內部的熱量的流動情況，或者器件的熱量隨時間上升的情況。然而通過模擬，可以給這些效果建模分析。
工程師們通過執行多個持續時間不同的瞬態熱仿真，并觀察溫度上升和芯片內的熱傳輸。
所有示例的起始溫度都是20 °C，仿真持續時間為1 μs、10 μs、100 μs和1 ms。芯片結點功耗均為1500 W，記錄芯片結點中心位置的溫度。
1 μs、10 μs、100 μs和1 ms后的溫度分布圖
仿真結果
1 μs后，溫度增加幅度很低。盡管芯片結點的功耗可能很高，但設備內的總能耗仍然只有1.5 mW。
100 μs后，大約只有一半芯片厚度仍然保持起始溫度，且溫度相對較低，只有60.5 ℃。
1ms時，熱量開始向銅片頂部傳輸，且溫度接近器件的最高限值175 ℃。
進一步觀察，可以看到1ms之后，總熱量中只有不到1%通過銅片底部散出，甚至比通過器件周圍塑料部件傳輸的熱量還少。
展開 
【Ansys線上直播回看】先進芯片設計中熱效應的可靠性分析
『點擊觀看直播回放』
在先進工藝下，隨著芯片規模與功耗密度的提高，考慮熱效應的可靠性分析成為了Sign-off標準的一環。Ansys通過先進的熱模型提供芯片，封裝和系統聯合的熱分析方案，Ansys已經與各大主流Foundry合作，在熱分析領域處于行業領先地位。
此次網絡直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會后我們也陸續收到在線觀眾以及其他用戶前來詢問，在此附上本場網絡直播錄播內容，供大家回看學習。
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立即提交作品參加Ansys“仿真的藝術”圖片作品大賽
為紀念公司成立50周年，Ansys于近期推出全新“仿真的藝術”圖片作品大賽，讓您有機會充分發揮自身超強的建模能力，開展巧奪天工的設計，并展示您精彩的作品。歡迎提交采用Ansys仿真解決方案制作的設計作品，可選擇的參賽仿真設計主題有16類，涵蓋主要物理領域和新興技術。
『或點擊此處進入報名通道』
展開 芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環形冷泵散熱系統說起
樣件制作完成后，也需要做多輪的熱測試驗證，驗證表面處理、界面材料、功耗、環溫對芯片結溫的實際影響，將仿真與實驗數據做對比，review參數設置，并多做總結，形成一個閉環的設計思路，不斷提高熱設計水平。
三、Icepak板級熱仿真實操
熱設計當今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結構，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對于電子散熱仿真是一款非常專業的軟件。在汽車電子散熱仿真來說，由于車廠其他結構和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統一習慣，也為了處理異形的CAD結構，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來說，Flotherm有一定的優勢，它需要更多繁瑣注意項，以及操作流程。
不光是汽車行業，這幾年芯片計算能力需求的飛速發展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結構熱耦合仿真。對于PCB板級熱仿真，Icepak可以導入精確的布線，并通過metal fraction計算局部的導熱系數，這樣更好的得到一個貼合實際的結果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數據相關聯。
做板級熱仿真，首先第一步便是參數的收集。要知道所處的工作溫度（環溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應的位置，是否有風或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊的相關內容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個熱阻參數是雙熱阻模型所必須的，最大結溫是為了驗證結果是否超溫。
展開 【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
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