ANSYS Icepak封装级电子散热仿真解决方案

01

工程背景

热—电子设备运行的关键问题

• 电子器件的故障、性能与其工作温度有密切关系
• 对温度最为敏感的问题：
  - 大量使用的半导体器件和 微电路，故障率随温度的增加而指数级上升
• 甚至有些电子器件的性能表现与 温升速度相关

 

电子热设计方法

• 热源处理
  - 降额使用
  - 特种元器件温度补偿与控制
  - 合理设计印制电路板结构
• 热阻处理
  - 元器件的合理布局可减小热阻
  - 散热装置
• 降温处理
  - 等温处理
  - 控温处理

以上电子热设计方法的依据在哪？

CFD技术—与热测试并驾齐驱的热设计手段

CFD技术（Computer Fluid Dynamics，计算流体动力学技术）是通过计算机来求解流动、传热等控制方程来获得流场信息的一种仿真方法。

• 成本低、速度快

• 模拟越来越逼近真实
  - 几何
  - 物理
  
  

电子热设计中仿真应用概览

 

02

解决方案

为什么要使用CPS?

• 手机等终端设备的散热设计直接影响客户体验

  - 工作性能不稳定
  - 手机太烫不敢拿
• IC热完整性设计不是一个简单的问题
  - 一只芯片消耗的功率是动态功率和泄漏功率之和。随着温度上升，泄漏会呈指数增加。
• 许多泄漏结果都是由不准确的温度估计造成的
  - 多数情况下，设计师在规定热目标时，都会依据IC温度不得超过105℃这个规则，没有考虑实际环境的影响。
• 如何在进行IC设计时充分考虑散热环境的影响？
  - Chip<->Package<->System
  - ANSYS CPS（Chip-Package-System）联合解决方案

CPS工作流程

 

分析结果

ANSYS Icepak–专注于电子热设计

Icepak提供全尺度（从芯片级别直到环境级别）的电子散热设计仿真能力。

ANSYS Icepak–完整的热仿真工具

• Icepak提供完整的热仿真流程/能力
• 可集成于ANSYS Workbench，利用WB中的其它软件，完成上下游工作/多物理场分析

 

ANSYS ICEPAK的专业之处

• 快速建模功能：ANSYS Icepak拥有一系列“Object”，借助于它们，用户可以快速建立常见的电子器件。

• ECAD & MCAD 数据导入：ANSYS Icepak可以导入各种格式的ECAD和MCAD数据格式

• 贴体网格自动划分Fluent求解器：

  - ANSYS Icepak可以自动划分高质量的贴体网格，而非一般电子散热仿真工具非常粗糙的阶梯型网格。网格算法灵活多变，可根据具体问题选择最为合适的方法。Icepak网格技术在没有损失求解精度的情况下使得模拟速度大大加快！

  - ANSYS Icepak使用全球CFD市场占有率最高的ANSYS FLUENT求解器。

  > 模型多
  > 算法丰富
  > 求解稳定
  > 并行效能好
  - Icepak丰富的求解器功能：封装、板、系统热分析
  > 稳态/瞬态问题
  > 层流/湍流问题
  > 强迫/自然/混合对流
  > 多流体问题
  > 内流/外流
  > 固定/运动/对称边界
  > 直流电/焦耳热
  > 温度相关物质属性
  > 辐射传热、太阳辐射
  > 湿度分析
  > 污染物扩散
• 结果可视化：
  - 速度矢量图、温度云图、流线图、等值面、任意剖面、XY曲线、动画等等
  - Overview、Summary、详细的HTML报告
• WB集成 (多物理场耦合)
  
  

产品方案

• ANSYS封装级热仿真产品方案

• 一般情景下的模块搭配

03

仿真案例

IC 封装热分析

芯片产生的热量通过内部结构由芯片结区到达外壳的外表面。通过结构拓扑优化来获得最佳的散热效果。

• Icepak封装热模拟的特点

  − 与EDA软件接口完善。设计->仿真流程通畅便捷

  − 多种层次的模型

• 详细模型（封装厂家），双热阻模型，DELPHI模型（封装厂家->下游厂家）

  − 提供JEDEC*标准规定的测试条件，自动生成符合JEDEC标准的测试环境。

  *JEDEC即固态技术协会，是微电子产业的领导标准机构。在过去50余年的时间里,JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。

 

ANSYS Icepak封装模拟案例

 

详细封装-热沉的热仿真

 

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。
• 此举极大提高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。

 

封装基板Trace导入对计算结果的影响

 

DELPHI模型抽取

∆ BGA型封装的DELPHI热网络结构

• DELPHI 模型

• 用于系统级散热的封装热网络模型标准

• Icepak的DELPHIExtractor 可以使用MS Excel自动生成DELPHI模型

• DELPHI是BCI模型（Boundary Conditions Independent）

 

Icepak DELPHI模型支持MCM

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深圳市优飞迪科技有限公司成立于2010年，是一家专注于产品开发平台解决方案与工业软件开发的高科技企业，是ANSYS、MSC、COMSOL、Qt、国产CAD、国产尺寸链公差等工业软件的战略合作伙伴，拥有十多项行业领先的自主工业软件著作权。优飞迪科技倡导“极致用户体验驱动产品开发模式”变革，助力中国质造，赋能极致研发，专注于仿真咨询、工业软件开发、工业软件销售、系统集成等领域的产品开发平台解决方案，拥有一支硬核实力的技术服务专家团队，能为企业提供“全心U⁺端到端服务“。如今，华为、中兴、中国航天、格力、大族、华强、华星光电等知名企业与优飞迪保持着长期的紧密战略合作伙伴关系。