icepak高级建模 Advanced Thermal Modeling

简单纲要
1.简介Introduction   Icepak高级建模1_简介
2.CFD 基础CFD Basics  Icepak高级建模2_CFD
3.PCBs Printed Circuit Boards  Icepak高级建模3_PCBs
4.IC封装IC Packages  Icepak高级建模4_IC封装
5.散热器Heat Sinks  Icepak高级建模5_散热器
6.接触阻尼Interface Resistance  Icepak高级建模6_界面热阻
7.风扇，叶轮，离心风机Fans, Impellers and Blowers  Icepak高级建模7_散热器
8.高度的影响Altitude Effects   Icepak高级建模8_高度的影响
9.流动阻尼Flow Resistances   Icepak高级建模9_流动阻尼
10.辐射Radiation   Icepak高级建模10_辐射
11.热管Heat Pipes   Icepak高级建模11_热管Heat Pipes
12.焦耳热Joule Heating   Icepak高级建模12_焦耳热
13.热电冷却Thermoelectric Coolers   Icepak高级建模13_热电冷却
14.冷板Cold Plates   Icepak高级建模14_冷板
15.变压器Transformers   Icepak高级建模15_变压器
16.气流挡板Flow Baffles   Icepak高级建模16_气流挡板
17.外部冷却器/加热器External Coolers/Heaters   Icepak高级建模17_外部冷却器/加热器

练习:
1.精细网格Mesh Refinement
2.ACE-DELPHI 比较ACE-DELPHI Comparison
3.PBGA建模Modeling PBGA
4.散热器建模Heat Sink Modeling
5.选择散热器Selecting Heat Sink
6.扩展阻尼Spreading Resistance
7.辐射的影响Effect of Radiation
8.密封系统Sealed Systems
9.TEC建模Modeling TEC
10.选择挡板I Selecting Baffles I
11.选择挡板II Selecting Baffles II
12.数据中心建模Modeling Data Center

1.简介Introduction
热管理
电子线路板产生的热与其效率成反比
没有转换成有用的电磁功率的功率以热的形式散失到周围的环境
热耗包括:
–焦耳热(I2R)
–(电源)Power supply
半导体设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性
实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起的:
–TCE不匹配引起的热应力Stresses due to TCE mismatch
–腐蚀Corrosion
–电子移动Electro-migration
–氧化物分解Oxide breakdown
–电流泄漏Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices)
–电性能下降Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
电子封装的失效率与热成正比，而且与封装的最高温度成指数增长
失效率可以表示为:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常数
E = 电子激活能量(eV)
K = 波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K)
T = 节点(junction)温度(以K为单位)
失效率随着温度的升高而变大(from a base temperature of 50 C) P8图

封装温度对失效的影响
(每百万个元件工作1000hr失效的数目) P9表
IC封装的趋势
封装越来越薄
引线Lead的数目越来越多
减少封装的覆盖面积(footprint)以接近芯片的大小
Package pin pitch is decreasing
时钟速度越来越大
IC芯片的功能越来越复杂
–Moving towards system-on-chip technology
封装的功耗越来越大
节点(junction)工作温度保持不变
–日用和手持设备55 C
–汽车系统125C
Budget per watt of heat removal is decreasing

冷却方法
冷却方法的种类:
–自然对流空气散热
–强迫对流空气散热
–浸润冷却
–沸腾冷却
–热管
–冷管
–热电冷却
–微通道冷却
–微喷射冷却
自然对流空气散热主要用于低功耗
–这是最简单最便宜的冷却方法
强迫对流空气散热主要用于相对较大的功耗
–要求有风扇,离心机等来强迫空气流动
浸润冷却是把元件浸润在惰性绝缘流体中(如弗里昂),用于冷却大的热载荷,
–这种冷却的典型应用包括大型主机,超级计算机,大功率交换器等.
沸腾冷却靠一种沸腾流体吸收热量,主要用于大功率
冷板是一个金属块,由强迫对流的液体冷却,电路板或组件就安装在冷板上
–用于军用设备和大功率电子器件
微通道冷却是一种用于处理在热耗元件上紧密排列的微小翅片的散热的方法
–冷却剂可以是液体也可以是流体
热电冷却器是一种固体的热泵,没有移动的部分或是工作流体
–利用Peltier效应把热量从由一个地方传递到时另一个地方
热管是一种被使用被动的方法把热量从一个地方传递到另一个地方的装置
–在一端流体蒸发把热量吸走,在另一端压缩流体把热量释放出来

冷却示意图0.651Cooling Technology Roadmap  P16photo

传热的方式
三种传热方式:
–传导
–对流
–辐射
传导是两种直接接触的介质(固体,流体或气体)之间的传热
在热传导中,能量用以下方式传递:
–自由电子的移动
–晶格振动(lattice vibration)
对流是发生在有温差的表面和运动流体之间的传热
对流可以是:
–自然对流
–强迫对流
辐射是发生在两种没有直接接触的表面的传热:
–能量以电磁波的形式发射出去
–所有高于0 K的物体都有热辐射
–几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100 micron)
–能量传递率取决于表面条件(发射率)及物体间的位置分布

热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)Q=-k.A.ΔT/ΔX  or,Q=ΔT/R
Q = 传递的热量
T = 温度
A = 横截面积
k = 板的热传导率
ΔX = 板的厚度
R = ΔX/(kA) = 热传导阻尼
假设板只沿一个方向传导

对流
对流可能是自然对流或是强迫对流
自然对流是由于流体内部的温度差异引起的密度不同产生
强迫对流则是由于外部方式(如风扇,离心机,泵等)造成的气流.
流动还可以分为内流和外流
内流是发生在一定的空间内，如管道等
外流是全部或部分不在空间内的气流
对流: 外流 + 内流   层流 + 湍流
流动还可以分为
–层流或
–湍流
层流是一种高度规则的流动，流体微粒沿确定的轨迹移动
湍流是一种高度不规则，随机的三维流动
–具有强烈的混合和更大的热交换
–大多数的真实流动都是湍流
非常靠近表面(物体的表面)的流动往往是层流
–这种区域一般处于边界层内

对流: 牛顿冷却定律流动(温度= Tf)
Q = h.A.(Tw-Tf) = ΔT/R
Q = 小块传递到时空气中的总热量
h = 平均热传递系数
A = 小块面积T
w= 贴片平均温度T
f= 小块周围流体平均温度
R = 热阻=1/(hA)
对流: 影响h的因素
热传递系数, h, 取决于许多因素:
–湍流的h比层流的热传递系数大
–一般,强迫对流的h比自然对流的大
–液体的h比气体的大
–粗糙表面的h比光滑表面的大(取决于流动的湍流度)
–不完全发展的流动的h比完全发展流动的大
–非稳态的h比稳态的大

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Icepak资料下载:  Icepak高级建模(456页).pdf

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