单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020-09-22,#,超大规模集成电路硅衬底抛光,半导体照明散热设计与分析(实验部分),天津工业大学,主讲人：张建新,4D408,2024/11/19,1,超大规模集成电路硅衬底抛光,半导体照明散热设计与分析(实验部分)2023/9/291超,实验课程概况,项目1：实验平台的基本原理与功能操作,项目2：翅片散热器的设计与分析实验,项目3：热辐射块和板的设计与分析实验,项目4：热分布的瞬态分析实验,项目5：LED投光灯的散热设计与分析实验,2024/11/19,2,超大规模集成电路硅衬底抛光,实验课程概况项目1：实验平台的基本原理与功能操作 2023/,本次实验的主要内容,项目1：实验平台的基本原理与功能操作,一、计算流体力学（CFD）概述,二、CFD数值模拟的总体工作步骤,三、CFD求解过程,四、常用的商用热分析软件,五、Icepak软件简介,六、Icepak软件的基本操作,七、单颗LED模块散热仿真的操作演示,2024/11/19,3,超大规模集成电路硅衬底抛光,本次实验的主要内容项目1：实验平台的基本原理与功能操作202,一、计算流体力学（CFD）概述,1、CFD定义：,通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所做的分析。,2、CFD的应用：,单纯流体的场域计算,空气,水体,流体参与传热的场域计算,散热（环境级、系统级、电路板级、元件级）,2024/11/19,4,超大规模集成电路硅衬底抛光,一、计算流体力学（CFD）概述2023/9/294超大规模集,2024/11/19,5,超大规模集成电路硅衬底抛光,2023/9/295超大规模集成电路硅衬底抛光,3、CFD的基本思想,把原来在时间域和空间域上,连续的物理量的场,（如：速度场、温度场、压力场等），用一系列,有限个离散点,上的变量值的,集合来代替,，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的,代数方程组,，然后,求解,代数方程组获得,场变量的近似值,。,散热过程的CFD方法，实质上就是：,散热CFD = 流体力学 + 传热学 + 数值分析,2024/11/19,6,超大规模集成电路硅衬底抛光,3、CFD的基本思想2023/9/296超大规模集成电路硅衬,2024/11/19,7,超大规模集成电路硅衬底抛光,2023/9/297超大规模集成电路硅衬底抛光,4、热分析的基本方法及其对比,主要优点,主要缺点,作用,传统的理论分析法,1.计算结果具有普遍性；,1.对计算对象进行抽象和简化后，才能得到理论平均解，带有较大误差；,提供研究的理论基础,2.影响因素清晰可见。,2.对非线性情况，很少能得到解析解。,实验测量法,结果的真实可信度较高。,1.受模型尺寸、流场扰动、人身安全、测量精度等外界因素的限制，内部结构难以测量；,验证由其它方法分析得到的结果真实性,2.实验成本高，周期长。,CFD数值分析法,1.克服了前面两个方法的缺点；,1.需要将众多影响因素抽象成适合计算的物理模型和数学模型；,提高热分析效率，展现场域数据的分布,2.能快速得到不同情况下的温度场的分布数据。,2.对研究者的理论基础和数值分析能力的要求较高。,构成了热分析的完整体系,2024/11/19,8,超大规模集成电路硅衬底抛光,4、热分析的基本方法及其对比主要优点主要缺点作用传统的理论,二、CFD数值模拟的总体工作步骤,1、建立反映工程问题或物理问题本质,的数学模型：,(CFD方法解决问题的出发点),2、寻求高效率、高准确度的计算方法：,(CFD方法的核心),3、编制功能程序和进行计算：,(花费时间最多),4、显示计算结果：,(检查和分析模拟质量),微分方程,定解条件,初始条件,边界条件,微分方程的离散和求解方法,边界条件的处理（离散化）,有限差分法,有限元法,有限容积(体积)法,如：Icepak,计算网格的划分,输入初始条件和边界条件,设定控制参数,场域分布图,场域点数据分布表,2024/11/19,9,超大规模集成电路硅衬底抛光,二、CFD数值模拟的总体工作步骤1、建立反映工程问题或物理问,三、CFD求解过程,计算,二维空间,内,无热源,的,稳态传导,换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0 K，上侧边界温度为1 K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(1) 建立控制方程,0,x,y,0 K,0 K,0 K,1 K,4 mm,4 mm,能量守恒方程：（包含 三维、源项、时间项）,质量守恒方程：（包含 三维、时间项）,质量守恒的能量守恒方程：（二维、无时间项、无源项）,2024/11/19,10,超大规模集成电路硅衬底抛光,三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下,计算,二维空间,内,无热源,的,稳态传导,换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0 K，上侧边界温度为1 K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(2) 确立初始条件及边界条件,0,x,y,0 K,0 K,0 K,1 K,4 mm,4 mm,初始条件：因无时间项，所以可不设定初始条件。,边界条件：,(3) 划分计算网格，生成计算节点,划分网格：采用“差分格式”离散成均匀网格，网格步长=1mm,节点编号：用(i,j)坐标表示每一个节点，i=1,2,3,4,5; j=1,2,3,4,5.,0,x,y,i,j,(i,j),(i+1,j),(i-1,j),(i,j+1),(i,j-1),三、CFD求解过程,2024/11/19,11,超大规模集成电路硅衬底抛光,计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区,三、CFD求解过程,计算,二维空间,内,无热源,的,稳态传导,换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0 K，上侧边界温度为1 K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(4) 建立离散方程,内节点的差分离散方程,0,x,y,0 K,0 K,0 K,1 K,4 mm,4 mm,0,x,y,(i,j),(i+1,j),(i-1,j),(i,j+1),(i,j-1),无初始条件，所以无需离散,(5) 离散初始条件和边界条件,边界节点的差分离散方程,2024/11/19,12,超大规模集成电路硅衬底抛光,三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下,三、CFD求解过程,计算,二维空间,内,无热源,的,稳态传导,换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0 K，上侧边界温度为1 K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(6) 给定求解控制参数,将步骤(4)(5)所得的待求解方程组写成矩阵形式：,0,x,y,0 K,0 K,0 K,1 K,4 mm,4 mm,0,x,y,(i,j),(i+1,j),(i-1,j),(i,j+1),(i,j-1),该系数矩阵为满秩，则方程组有唯一解，其解肯定收敛，无需给定控制参数。,(若存在对流项，则必须给定控制参数),2024/11/19,13,超大规模集成电路硅衬底抛光,三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下,三、CFD求解过程,计算,二维空间,内,无热源,的,稳态传导,换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0 K，上侧边界温度为1 K。,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(7) 求解离散方程,0,x,y,0 K,0 K,0 K,1 K,4 mm,4 mm,0,x,y,(i,j),(i+1,j),(i-1,j),(i,j+1),(i,j-1),该方程组往往都很大，采用的方法可分为两大类：直接解法和迭代解法。其中迭代解法占内存较小，有利于用小机器求解大问题，因此商用软件往往采用迭代解法。,2024/11/19,14,超大规模集成电路硅衬底抛光,三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),Icepak中的残差分析：认定三种守恒方程（质量守恒、能量守恒、动量守恒）的迭代残差都小于110,-3,，且监控点温度趋于平衡时，可以认为求解结果收敛。,三、CFD求解过程,(8) 解收敛否,2024/11/19,15,超大规模集成电路硅衬底抛光,(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)Ice,流线图,等值曲线图,矢量图,云图,2024/11/19,16,超大规模集成电路硅衬底抛光,流线图等值曲线图矢量图云图2023/9/2916超大规模集成,四、常用的商用热分析软件,1、软件分类,通用热分析软件：并不是根据电子设备特点而编制的，但可用于电子设备热分析。,如：Flotrn、Algor、Ansys等。,专用电子设备热分析软件：专门针对电子设备特点而开发，具有较大的灵活性。,如：BETAsoft、Coolit、Flotherm、Icepak、Qfin、QLED等。,2、软件的基本架构,数据输入及维护模块,网格生成及显示模块,数值计算模块（求解器）,结果输出及显示模块,2024/11/19,17,超大规模集成电路硅衬底抛光,四、常用的商用热分析软件1、软件分类数据输入及维护模块网格生,五、Icepak软件简介,1、软件公司的发展,Fluent公司致力于为用户提供流动模拟及热分析的仿真软件及服务，使用户大大改进设计，缩短设计时间，从而具有强大的核心竞争力和优势。,2024/11/19,18,超大规模集成电路硅衬底抛光,五、Icepak软件简介1、软件公司的发展2023/9/29,2、 Fluent公司的软件品种,FLUENT 6,基于CFD的有限体积法，适用于可压/不可压流，层流/湍流,包括化学反应和多相流。,FIDAP,基于CFD的有限元法,适用于不可压/可压流，层流/湍流, 包括牛顿流体/非牛顿流体, 自由界面和流体结构接触面的相互作用,POLYFLOW,基于CFD的有限元法,适用于模拟高粘性流动(如流变流体)和表面流动,MixSim,模拟混合过程的专业软件,Icepak,热管理和电子仪器散热分析的专业软件,Airpak,热管理和电子仪器散热分析的专业软件,2024/11/19,19,超大规模集成电路硅衬底抛光,2、 Fluent公司的软件品种2023/9/2919超大规,3、,Icepak是一种基于对象建模的软件,Icepak允许以下方式建模:,主体对象:如块(blocks),板(plates),风扇(fans),通风口(vents),阻尼(resistance)等。,宏:如IC封装, PCBs,辐射散热器, 详细风扇曲线。,2024/11/19,20,超大规模集成电路硅衬底抛光,3、 Icepak是一种基于对象建模的软件2023/9/29,4、,Icepak的仿真能力,稳态/瞬态问题,层流/湍流模型,强迫对流/自然对流,/混合对流多流体问题,内/外流分析,耦合传热,辐射,固定边界条件/动边界,条件/ 对称边界条件,依赖于时间的特性,2024/11/19,21,超大规模集成电路硅衬底抛光,4、 Icepak的仿真能力2023/9/2921超大规模集,强大的网格生成:,连续非结构网格,结构网格,非连续非结构网格,求解器特点:,参数化,并行处理,网格间插值,Zoom-in建模,其它功能:,灵活的单位定义,用户自定义封装库,从MCAD/ECAD文件导入ProE-Icepak界面,先进的后处理和生成报告的功能,2024/11/19,22,超大规模集成电路硅衬底抛光,强大的网格生成:2023/9/2922超大规模集成电路硅衬底,六、Icepak软件的基本操作,1、,怎样启动Icepak,Windows:,点击桌面上的快捷键,“Icepak4.3.10”,在开始菜单点击,Programs/Fluent.Inc/Icepak4.0,UNIX:,从系统命令行中输入,“,icepak,”,2024/11/19,23,超大规模集成电路硅衬底抛光,六、Icepak软件的基本操作1、怎样启动Icepak202,2、启动界面,Icepak启动后,自动弹出,New/existing,面板,2024/11/19,24,超大规模集成电路硅衬底抛光,2、启动界面2023/9/2924超大规模集成电路硅衬底抛光,3、创建新工程,在,New/Existing,面板中点击,New,打开,New project,面板,2024/11/19,25,超大规模集成电路硅衬底抛光,3、创建新工程2023/9/2925超大规模集成电路硅衬底抛,4、打开已有工程,在,New/Existing,面板中点击,Existing,打开,Open project window,面板,2024/11/19,26,超大规模集成电路硅衬底抛光,4、打开已有工程2023/9/2926超大规模集成电路硅衬底,5、Icepak的文件结构,每个Icepak工程都是由包含路径的工程文件组成,工程名= 路径名,文件种类包括:,问题设置文件-,JOB,MODEL,和,PROBLEM,文件,网格文件,求解文件,后处理/报告文件,其中,Job,Model,和,Problem,文件是重建工程必须要有的文件。,2024/11/19,27,超大规模集成电路硅衬底抛光,5、Icepak的文件结构2023/9/2927超大规模集成,6、压缩/解压工程,在New/Existing面板中点击,Unpack,打开,File selection,面板,只有job, model 和,problem 文件被压缩,压缩格式为*.tzr,FilePack 进行压缩操作,FileUnpack进行解压操作,2024/11/19,28,超大规模集成电路硅衬底抛光,6、压缩/解压工程2023/9/2928超大规模集成电路硅衬,7、用户图形界面,2024/11/19,29,超大规模集成电路硅衬底抛光,7、用户图形界面2023/9/2929超大规模集成电路硅衬底,8、Icepak建模对象的简单介绍,2024/11/19,30,超大规模集成电路硅衬底抛光,8、Icepak建模对象的简单介绍2023/9/2930超大,9、模型工具栏：,创建对象,2024/11/19,31,超大规模集成电路硅衬底抛光,9、模型工具栏：创建对象2023/9/2931超大规模集成电,10、模型工具栏：,编辑和对齐功能,2024/11/19,32,超大规模集成电路硅衬底抛光,10、模型工具栏：编辑和对齐功能2023/9/2932超大规,11、快捷工具栏,2024/11/19,33,超大规模集成电路硅衬底抛光,11、快捷工具栏2023/9/2933超大规模集成电路硅衬底,12、模型树,2024/11/19,34,超大规模集成电路硅衬底抛光,12、模型树2023/9/2934超大规模集成电路硅衬底抛光,13、鼠标功能,2024/11/19,35,超大规模集成电路硅衬底抛光,13、鼠标功能2023/9/2935超大规模集成电路硅衬底抛,七、单颗LED模块散热仿真的操作演示,1. 创建并保存一个名为Example1的Icepak项目，在其中建立如下图描述的一个简单散热模块，并根据基本设置条件以及采用默认的非结构网格形式划分后，计算显示其所有结构体表面的温度分布云图（左上角三等轴视图），以及Z方向中心切面上的温度分布云图和流速矢量图。,2. 基本设置条件如下所示：,（1）环境温度：25。,（2）重力方向如图中箭头所指方向。,（3）只考虑热传导和自然对流，不考虑接触热阻和辐射。,（4）光源材质：纯铜；热源形式：体热源；热耗：1 W。,（5）铝基板导热性能：各向同性；导热系数200 W/(mK),（6）散热器材质：Al-Extruded,2024/11/19,36,超大规模集成电路硅衬底抛光,七、单颗LED模块散热仿真的操作演示1. 创建并保存一个名为,2024/11/19,37,超大规模集成电路硅衬底抛光,2023/9/2937超大规模集成电路硅衬底抛光,绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。,11月-24,11月-24,Tuesday, November 19, 2024,脆弱的生命需要安全的呵护。,01:32:20,01:32:20,01:32,11/19/2024 1:32:20 AM,安全来于警惕，事故出于麻痹。,11月-24,01:32:20,01:32,Nov-24,19-Nov-24,质量是制造出来的，而不是靠检验出来的。,01:32:20,01:32:20,01:32,Tuesday, November 19, 2024,不懂莫逞能事故不上门。,11月-24,11月-24,01:32:20,01:32:20,November 19, 2024,消防安全是关系社会稳定、经济发展的大事。,2024年11月19日,1:32 上午,11月-24,11月-24,质量创造生活，庇护生命，维系生存。,19 十一月 2024,1:32:20 上午,01:32:20,11月-24,立安思危，创优求存。,十一月 24,1:32 上午,11月-24,01:32,November 19, 2024,用对自我的永远不满意，来换取顾客的永远满意。,2024/11/19 1:32:20,01:32:20,19 November 2024,内部审核定期做，系统维持不会错。,1:32:20 上午,1:32 上午,01:32:20,11月-24,来料检验照标准，交期品质必然稳。,11月-24,11月-24,01:32,01:32:20,01:32:20,Nov-24,严格按照规章操作，确保安全每时每刻刻。,2024/11/19 1:32:20,Tuesday, November 19, 2024,我们的策略是以质量取胜。,11月-24,2024/11/19 1:32:20,11月-24,谢谢大家！,绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。9月-239月-23Frid,