3D-IC熱-電-應力耦合分析
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
3D-IC熱-電-應力耦合分析的視頻教程
基于ABAQUS的剎車盤熱應力（熱—機耦合）分析
第三章 剎車盤熱應力（熱—機耦合）分析 ? ? ? ?本章的案例為實際剎車盤熱應力分析案例，不同于第一、二章所演示的案例模型。 ? ? ? ?本章詳細講解剎車盤與剎車片由于壓力和摩擦產生的熱應力（熱—機耦合）分析，每一步操作都有詳細講解，且對ABAQUS中的其他相關操作也會部分涉及，最后對結果進行評判分析。
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考慮熱-電-力-化耦合的復合材料雷擊損傷分析
本課程講解了如何通過abaqus軟件對復合材料雷擊損傷進行分析。通過考慮雷擊過程的電-熱-力-化學多場耦合，計算了復合材料雷擊過程中的電場、溫度場、損傷場及熱解度場。同時也對復合材料雷擊后的剩余強度進行了分析，講解了不同場在計算中的傳遞方法，獲得了雷擊對復合材料的影響效果。
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3D-IC熱-電-應力耦合分析的實例教程
圖19 中間平面設置圖
圖20 速度云圖
圖21 壓力云圖
圖22 溫度云圖
六、穩態熱分析
完成流體計算之后，單擊B4 進入穩態熱分析模塊，將流體區域抑制，并將固體區域生成網格，生成方法與之前類似。之后右鍵單擊Imported Load—Insert—Temperature 將流體計算的溫度場導入，在固體域溫度的接受面為固體的內表面，之前已經進行定義，直接選用即可，Cfd surface 選用計算的流固界面溫度。右鍵單擊Imported Load，單擊右鍵菜單的ImportedLoad 導入溫度。
右鍵單擊Steady-State Thermal 插入邊界條件，設置外壁面的對流換熱系數為10W/m2·℃，環境溫度為20℃。設置三個入口的端面溫度與入口流體溫度一致。在solution 中插入溫度和總的熱流量。單擊solve 進行求解。
圖23 流場溫度導入
圖24 穩態熱力學計算結果
七、變形及熱應力分析
雙擊C5 進入靜態結構計算模塊右鍵單擊Imported Load 打開右鍵菜單后單擊ImportedLoad 導入固體域的溫度。右鍵單擊Static Structural—Insert—Fixed Support 給三個入口端面施加固定約束。
展開 為了節省計算時間，計算熱應力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結果導入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內熔體的壓力：
上部結構壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結果導入
3 后處理結果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向。總位移最大值為29.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計算結果
電解槽應力計算結果如圖6所示。最大應力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應力集中比較嚴重。
圖6 電解槽Mises應力
4 小結
本文建立了電解槽熱應力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴散的相似性來模擬鈉擴散的方法，并根據計算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應力和熱應力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內襯的受熱收縮效應，得出了與實際情況比較相近的結果。
展開 Ansys與臺積電還合作運用Ansys RedHawk-SC Electrothermal?開發了一種高容量層次化熱解決方案，以高保真結果分析完整的芯片-封裝-系統。最近，在2021年10月26日舉辦的臺積電2021開放創新平臺?（OIP）生態系統論壇上，發表了一篇關于該解決方案的Ansys論文，題為《高級3DIC系統的綜合分層熱解決方案》。
Ansys? Icepak?熱仿真顯示了芯片、其系統環境和冷卻氣流之間的熱流情況
臺積電與Ansys的深化合作進一步擴展了Ansys RedHawk系列產品的應用，將RedHawk-SC?用于TSMC-SoIC?技術的電遷移和壓降（EM/IR）簽核。TSMC-SoIC?技術是3DFabric系列中最綜合全面的芯片堆疊技術。
臺積電設計架構管理事業部副總裁Suk Lee表示：“我們與OIP生態系統合作伙伴密切合作，運用臺積電先進工藝和3DFabric技術在功耗、性能和面積方面實現的大幅改進，為新一代設計提供解決方案。此次與Ansys的合作為全芯片與封裝分析提供了熱解決方案流程，這對我們的客戶來說意義重大。”
Ansys Icepak是一款使用計算流體動力學（CFD）來仿真電子裝配的氣流、熱流、溫度和冷卻的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC Electrothermal是一款用于求解2.5D/3D多芯片IC系統的多物理場電源完整性、信號完整性和熱方程的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC是一款用于半導體設計的電源完整性和可靠性分析工具，經臺積電認證，可對所有FinFET工藝節點（包括最新的4nm和3nm）進行簽核。
展開 使用熱接觸模型仿真插頭熱電力耦合
Ansys與臺積電還合作運用Ansys RedHawk-SC Electrothermal?開發了一種高容量層次化熱解決方案，以高保真結果分析完整的芯片-封裝-系統。最近，在2021年10月26日舉辦的臺積電2021開放創新平臺?（OIP）生態系統論壇上，發表了一篇關于該解決方案的Ansys論文，題為《高級3DIC系統的綜合分層熱解決方案》。
Ansys? Icepak?熱仿真顯示了芯片、其系統環境和冷卻氣流之間的熱流情況
臺積電與Ansys的深化合作進一步擴展了Ansys RedHawk系列產品的應用，將RedHawk-SC?用于TSMC-SoIC?技術的電遷移和壓降（EM/IR）簽核。TSMC-SoIC?技術是3DFabric系列中最綜合全面的芯片堆疊技術。
臺積電設計架構管理事業部副總裁Suk Lee表示：“我們與OIP生態系統合作伙伴密切合作，運用臺積電先進工藝和3DFabric技術在功耗、性能和面積方面實現的大幅改進，為新一代設計提供解決方案。此次與Ansys的合作為全芯片與封裝分析提供了熱解決方案流程，這對我們的客戶來說意義重大。”
Ansys Icepak是一款使用計算流體動力學（CFD）來仿真電子裝配的氣流、熱流、溫度和冷卻的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC Electrothermal是一款用于求解2.5D/3D多芯片IC系統的多物理場電源完整性、信號完整性和熱方程的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC是一款用于半導體設計的電源完整性和可靠性分析工具，經臺積電認證，可對所有FinFET工藝節點（包括最新的4nm和3nm）進行簽核。
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概述
PCB 組件在工作時產生的熱量會直接影響其電性能與長期可靠性。過高的溫度或頻繁的溫度波動會引發材料老化、信號失真，并因材料間熱膨脹系數不匹配而產生熱應力，最終導致焊點開裂、器件失效等故障。因此，評估 PCB 可靠性必須進行瞬態熱力耦合分析，即先分析動態溫度場，再計算由此產生的熱應力。
目標
通過高保真建模仿真，系統觀察并量化印刷電路板（PCB）上關鍵元器件在瞬態熱載荷作用下的力學響應與應力表現
使用熱接觸模型仿真插頭熱電力耦合
一、案例簡介
如圖1 所示的管道，水平管道長度為150mm，直徑為24mm，豎直管道直徑為16mm，高度為50mm，分別距離左端面45mm 和95mm，整體管道壁厚為2mm。20℃的低溫水從左端的入口流入，流速為1m/s，50
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
“ansys經典界面”相對于“ansys workbench”而言，界面操作的缺點和不便確實是顯而易見的，但是對于初學者而言，尤其是像剛剛入門的研究生而言，確實是了解有限元分析流程的一把利器。
臺積電與Ansys展開合作，將Icepak?作為臺積電3DFabric?技術的熱基準
主要亮點
臺積電與Ansys展開合作，將Icepak?作為臺積電3DFabric?技術的熱基準
主要亮點
當復合材料遭遇雷擊時，復合材料會同時受到電-熱-力的耦合作用。根據焦耳熱定律，雷電流流過時由材料電阻產生的大量焦耳熱量使材料溫度上升，導致材料出現燒蝕損傷。燒蝕損傷也會使材料的導電性和導熱性能降低。受到雷擊作用后，復合材料的性能必然會下降，因此還需要對雷擊后復合材料的剩余強度進行分析，定量計算雷擊對復合材料承載力的影響。
對復合材料的雷擊分析可以分為兩個步驟：1 電-熱強耦合分析，2 考慮初始燒蝕損傷的復合材料漸進損傷分析
鈉膨脹主要是電解過程中析出的鈉擴散到陰極炭塊中與陰極炭塊發生化學反應引起的。鈉膨脹不能作為邊界條件直接施加到模型中去，本次計算把鈉膨脹轉化為熱膨脹，再把對應的熱膨脹加進去。不同的鈉濃度對應著不同的鈉膨脹率。鈉膨脹系數是體膨脹系數，而熱膨脹系數是線膨脹系數。
電解槽啟動一定時間后，鈉在陰極炭塊內部是非線性分布的，而不同的鈉濃度對應不同的鈉膨脹率，為了計算更加準確，把炭塊分成
PCB熱-應力可靠性和多場耦合分析培訓班
培訓背景
電路的集成規模越來越大，I/O數越來越多，PCB互連密度不斷加大，隨之帶來許多PCB及集成電路封裝可靠性問題。ANSYS專門針對PCB設計分析解決方案，可以快速從ECAD中直接導入PCB熱物參數，從而能在Mechanical中進行準確的PCB板熱力、疲勞、隨機振動、跌落等可靠性問題的仿真。ANSYS針對集成電路封裝也提供強大解決方案
