icepak高級建模 Advanced Thermal Modeling

簡單綱要
1.簡介Introduction   Icepak高級建模1_簡介
2.CFD 基礎CFD Basics  Icepak高級建模2_CFD
3.PCBs Printed Circuit Boards  Icepak高級建模3_PCBs
4.IC封裝IC Packages  Icepak高級建模4_IC封裝
5.散熱器Heat Sinks  Icepak高級建模5_散熱器
6.接觸阻尼Interface Resistance  Icepak高級建模6_界面熱阻
7.風扇，葉輪，離心風機Fans, Impellers and Blowers  Icepak高級建模7_散熱器
8.高度的影響Altitude Effects   Icepak高級建模8_高度的影響
9.流動阻尼Flow Resistances   Icepak高級建模9_流動阻尼
10.輻射Radiation   Icepak高級建模10_輻射
11.熱管Heat Pipes   Icepak高級建模11_熱管Heat Pipes
12.焦耳熱Joule Heating   Icepak高級建模12_焦耳熱
13.熱電冷卻Thermoelectric Coolers   Icepak高級建模13_熱電冷卻
14.冷板Cold Plates   Icepak高級建模14_冷板
15.變壓器Transformers   Icepak高級建模15_變壓器
16.氣流擋板Flow Baffles   Icepak高級建模16_氣流擋板
17.外部冷卻器/加熱器External Coolers/Heaters   Icepak高級建模17_外部冷卻器/加熱器

練習:
1.精細網格Mesh Refinement
2.ACE-DELPHI 比較ACE-DELPHI Comparison
3.PBGA建模Modeling PBGA
4.散熱器建模Heat Sink Modeling
5.選擇散熱器Selecting Heat Sink
6.擴展阻尼Spreading Resistance
7.輻射的影響Effect of Radiation
8.密封系統Sealed Systems
9.TEC建模Modeling TEC
10.選擇擋板I Selecting Baffles I
11.選擇擋板II Selecting Baffles II
12.數據中心建模Modeling Data Center

1.簡介Introduction
熱管理
電子線路板產生的熱與其效率成反比
沒有轉換成有用的電磁功率的功率以熱的形式散失到周圍的環境
熱耗包括:
–焦耳熱(I2R)
–(電源)Power supply
半導體設備的工作環境溫度直接影響到它的可靠性
實際上，所有電子失效的機理都是由于封裝溫度升高引起的:
–TCE不匹配引起的熱應力Stresses due to TCE mismatch
–腐蝕Corrosion
–電子移動Electro-migration
–氧化物分解Oxide breakdown
–電流泄漏Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices)
–電性能下降Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
電子封裝的失效率與熱成正比，而且與封裝的最高溫度成指數增長
失效率可以表示為:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常數
E = 電子激活能量(eV)
K = 波爾茲曼常數(8.63e-5eV/K)
T = 節點(junction)溫度(以K為單位)
失效率隨著溫度的升高而變大(from a base temperature of 50 C) P8圖

封裝溫度對失效的影響
(每百萬個元件工作1000hr失效的數目) P9表
IC封裝的趨勢
封裝越來越薄
引線Lead的數目越來越多
減少封裝的覆蓋面積(footprint)以接近芯片的大小
Package pin pitch is decreasing
時鐘速度越來越大
IC芯片的功能越來越復雜
–Moving towards system-on-chip technology
封裝的功耗越來越大
節點(junction)工作溫度保持不變
–日用和手持設備55 C
–汽車系統125C
Budget per watt of heat removal is decreasing

冷卻方法
冷卻方法的種類:
–自然對流空氣散熱
–強迫對流空氣散熱
–浸潤冷卻
–沸騰冷卻
–熱管
–冷管
–熱電冷卻
–微通道冷卻
–微噴射冷卻
自然對流空氣散熱主要用于低功耗
–這是最簡單最便宜的冷卻方法
強迫對流空氣散熱主要用于相對較大的功耗
–要求有風扇,離心機等來強迫空氣流動
浸潤冷卻是把元件浸潤在惰性絕緣流體中(如弗里昂),用于冷卻大的熱載荷,
–這種冷卻的典型應用包括大型主機,超級計算機,大功率交換器等.
沸騰冷卻靠一種沸騰流體吸收熱量,主要用于大功率
冷板是一個金屬塊,由強迫對流的液體冷卻,電路板或組件就安裝在冷板上
–用于軍用設備和大功率電子器件
微通道冷卻是一種用于處理在熱耗元件上緊密排列的微小翅片的散熱的方法
–冷卻劑可以是液體也可以是流體
熱電冷卻器是一種固體的熱泵,沒有移動的部分或是工作流體
–利用Peltier效應把熱量從由一個地方傳遞到時另一個地方
熱管是一種被使用被動的方法把熱量從一個地方傳遞到另一個地方的裝置
–在一端流體蒸發把熱量吸走,在另一端壓縮流體把熱量釋放出來

冷卻示意圖0.651Cooling Technology Roadmap  P16photo

傳熱的方式
三種傳熱方式:
–傳導
–對流
–輻射
傳導是兩種直接接觸的介質(固體,流體或氣體)之間的傳熱
在熱傳導中,能量用以下方式傳遞:
–自由電子的移動
–晶格振動(lattice vibration)
對流是發生在有溫差的表面和運動流體之間的傳熱
對流可以是:
–自然對流
–強迫對流
輻射是發生在兩種沒有直接接觸的表面的傳熱:
–能量以電磁波的形式發射出去
–所有高于0 K的物體都有熱輻射
–幾乎所有熱輻射發生在紅外波長范圍(0.1 to 100 micron)
–能量傳遞率取決于表面條件(發射率)及物體間的位置分布

熱傳導
熱傳導付立葉定律:
(一維熱傳導)Q=-k.A.ΔT/ΔX  or,Q=ΔT/R
Q = 傳遞的熱量
T = 溫度
A = 橫截面積
k = 板的熱傳導率
ΔX = 板的厚度
R = ΔX/(kA) = 熱傳導阻尼
假設板只沿一個方向傳導

對流
對流可能是自然對流或是強迫對流
自然對流是由于流體內部的溫度差異引起的密度不同產生
強迫對流則是由于外部方式(如風扇,離心機,泵等)造成的氣流.
流動還可以分為內流和外流
內流是發生在一定的空間內，如管道等
外流是全部或部分不在空間內的氣流
對流: 外流 + 內流   層流 + 湍流
流動還可以分為
–層流或
–湍流
層流是一種高度規則的流動，流體微粒沿確定的軌跡移動
湍流是一種高度不規則，隨機的三維流動
–具有強烈的混合和更大的熱交換
–大多數的真實流動都是湍流
非常靠近表面(物體的表面)的流動往往是層流
–這種區域一般處于邊界層內

對流: 牛頓冷卻定律流動(溫度= Tf)
Q = h.A.(Tw-Tf) = ΔT/R
Q = 小塊傳遞到時空氣中的總熱量
h = 平均熱傳遞系數
A = 小塊面積T
w= 貼片平均溫度T
f= 小塊周圍流體平均溫度
R = 熱阻=1/(hA)
對流: 影響h的因素
熱傳遞系數, h, 取決于許多因素:
–湍流的h比層流的熱傳遞系數大
–一般,強迫對流的h比自然對流的大
–液體的h比氣體的大
–粗糙表面的h比光滑表面的大(取決于流動的湍流度)
–不完全發展的流動的h比完全發展流動的大
–非穩態的h比穩態的大

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Icepak資料下載:  Icepak高級建模(456頁).pdf

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