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1、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 4D408,2020/8/5,1,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 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,2020/8/5,2,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 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
2、操作 七、单颗LED模块散热仿真的操作演示,2020/8/5,3,超大规模集成电路硅衬底抛光,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）,2020/8/5,4,超大规模集成电路硅衬底抛光,2020/8/5,5,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
3、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,2020/8/5,6,超大规模集成电路硅衬底抛光,2020/8/5,7,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,构成了热分析的完整体系,2020/8/5,8,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
4、时间最多) 4、显示计算结果： (检查和分析模拟质量),2020/8/5,9,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,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）,2020/8/5,10,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。
5、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,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.,三、CFD求解过程,2020/8/5,11,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的数值解。假设计算区域
6、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,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,2020/8/5,12,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
7、(4)(5)所得的待求解方程组写成矩阵形式：,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),2020/8/5,13,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,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
8、解法。,2020/8/5,14,超大规模集成电路硅衬底抛光,(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,2020/8/5,15,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,2020/8/5,16,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 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
9、、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,2020/8/5,17,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 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。,2020/8/5,18,超大规模集成电路硅衬底抛光,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
10、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,2020/8/5,19,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 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
11、尼(resistance)等。 宏:如IC封装, PCBs,辐射散热器, 详细风扇曲线。,2020/8/5,20,超大规模集成电路硅衬底抛光,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,2020/8/5,21,超大规模集成电路硅衬底抛光,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-
12、Icepak界面 先进的后处理和生成报告的功能,2020/8/5,22,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”,2020/8/5,23,超大规模集成电路硅衬底抛光,2、启动界面 Icepak启动后,自动弹出New/existing面板,2020/8/5,24,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 proj
13、ect面板,2020/8/5,25,超大规模集成电路硅衬底抛光,4、打开已有工程 在New/Existing面板中点击Existing打开Open project window面板,2020/8/5,26,超大规模集成电路硅衬底抛光,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。,2020/8/5,27,超大规模集成电路硅衬底抛光,6、压缩/解压工程 在New/Exi
14、sting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,2020/8/5,28,超大规模集成电路硅衬底抛光,7、用户图形界面,2020/8/5,29,超大规模集成电路硅衬底抛光,8、Icepak建模对象的简单介绍,2020/8/5,30,超大规模集成电路硅衬底抛光,9、模型工具栏：创建对象,2020/8/5,31,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,2020/8/5,32,超大规模集成电路硅衬底抛光,11、快捷
15、工具栏,2020/8/5,33,超大规模集成电路硅衬底抛光,12、模型树,2020/8/5,34,超大规模集成电路硅衬底抛光,13、鼠标功能,2020/8/5,35,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,2020/8/5,36,超大规模集成电路硅衬底抛光,2020/8/5,37,超大规模集成电路硅衬底抛光,
