非均匀热载荷难处理？一文搞懂应用场景与散热仿真设置

作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH211、985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~在电子散热仿真中热载荷的施加方式直接影响仿真结果的准确性。最近有不少工程师来咨询关于非均匀热源的仿真分析项目。本期给大家带来的是关于关于非均匀热载荷的相关设置研究内容如果觉得有帮助请点赞、转发给更多有需要的人。应用场景1.芯片级Die-Level高性能计算芯片与处理器如果对整个芯片封装顶面施加均匀热流会严重低估热点温度导致芯片在实际运行时因局部过热而降频或损坏。影响TIM导热界面材料选型和封装基板布线的判断。通过建立芯片的详细功耗图精确模拟热量在硅片内部的横向扩散精准定位封装内部的最高结温。2.封装与互连结构Flip-Chip Bump与TSV在倒装芯片中热量通过数百甚至数千个微小的锡球从芯片传导至基板。这些凸点分布并不均匀且导热系数远低于硅和铜。TSV硅通孔区域由于填充了铜导热率远高于周围的硅形成了热传导的“高速通道”。将凸点层等效为一块均匀材料会掩盖局部热流拥挤效应。靠近高功率核心区的凸点温度极高可能导致电迁移失效。需精细化建模热源路径评估电迁移风险优化凸点布局。3.PCB板级局部高功耗器件与铜箔布线功率器件电源管理芯片、MOSFET通常尺寸小、功耗大形成局部热点。PCB铜箔PCB内层的电源层、地层和走线是良好的导热体。热量并非均匀地进入PCB而是优先通过铜箔走线从器件管脚导出。如果将PCB视为各向同性的均匀材料会忽略铜箔的导流效应导致热量在PCB上的扩散范围被低估或错位。准确模拟热量在PCB复杂铜层中的“流动”优化过孔阵列位置提高PCB作为散热器的效率。4.系统级风道遮挡与回流效应系统级的非均匀性通常不是由“热源”本身材质不均引起而是由流场分布不均导致的对流换热系数不均。遮挡效应上游的大电容或电感会遮挡下游芯片导致下游器件表面的风速远低于平均值形成“热影区”。回流与涡流在风扇的某些特定区域气流可能出现回流或涡流导致局部换热效率骤降。在系统级仿真中如果设置一个统一的对流换热系数会完全掩盖这种流场不均带来的影响。通过CFD耦合计算自动获得每个器件表面的非均匀对流换热系数从而修正结温预测。这也是我们在做仿真时不设定对流换热系数的原因。当怀疑局部热点可能导致失效或者局部结构如铜层、凸点明显改变了传热路径时就必须考虑采用非均匀热载荷建模。那么关于产品热设计有这种非均匀热源的情况需要做仿真分析时该如何处理呢下面就Flotherm、FloEFD两个常用热设计仿真分析软件分别介绍其非均匀热载荷的设置。Flotherm软件中设置在flotherm软件中die的关键参数里的功耗类型其中就有非均匀耗散选项其中可以设置离散型、总覆盖型如下图所示上图中的5*5的损耗表我用的是csv表格制作并导入而成需要该表格的可以找小编领取方式见文末。导入成功后在模型展示区域可以看到对应的热源划分情况如下图所示另外如果有其它需要还可以将其打散形成多个热源块如下图所示下面看看在FloEFD软件中的设置方法。FloEFD软件中设置FloEFD的帮助文档相对比较友好只需要在对应界面点击右上角问号即可找到其帮助文档里面的介绍说明如下图所示FloEFD软件中非均匀耗散的设置说明主要包含两个维度的参数一个是坐标也就是热源的x,y,z另外一个参数就是功耗值这两个具备相关性其设置界面如如下图所示注意事项面热源、体热源都可以适用需选择热通量或单位体积热功耗、温度的模式。设置完成后可以在零件上看到对应的热源位置如下图所示该非均匀热载荷也是csv文件导入方式领取方式见文末。总结什么时候必须考虑非均匀热载荷判断是否需要精细化非均匀热载荷可以依据以下三个条件尺寸效应热源特征尺寸与传热路径尺寸相当时例如芯片内部的热点尺寸与芯片厚度相当。材料属性突变热量必须穿过导热率差异巨大的界面如硅→空气间隙→凸点→Underfill→基板。失效风险失效模式与局部峰值温度强相关如电迁移、热机械应力开裂而不是平均温度。对于这种热源你认为的应用场景有哪些可以打在评论区交流期待你的回复。