（检测技术与自动化装置专业论文）芯片电热特性仿真模型及测试方法.pdf

摘要 随着电子技术的迅速发展，电子元件的封装密度得至到了迅速提高；电子产 品向微型化不断发展，体积尺寸日益缩小，导致设备的元件密度日趋提高；电子 产品已经渗透到各个领域里，其应用环境不断扩大，有些环境，温度高，散热差。 电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。电子设备的过热 或热缺陷是电子产品失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品的可靠性的提 高。因此必须解决电子设备温升的问题。 在本论文的研究中，作者主要完成了以下几方面的工作： 1 利用有限元数值分析方法，建立了芯片的有限元模型，对芯片进行了稳态 和瞬态的热分析，并与实际测量结果进行了比较，模拟结果与实际测量值 的误差在工程允许的范围内。 2 分析了大功率脉冲载荷下芯片的温度时间响应，其结果与实际测量值很接 近，误差较小。 3 讨论了对流换热系数的改变对芯片温度的影响，同时分析了芯片封装材料 的改变对芯片温度的影响。为芯片设计及其安装方式提供了可靠的数据。 4 对熟电耦合分析模式做了初步研究，为将热测试与电测试结合做了可行性 探讨。 关键词：芯片有限元法 热分析可靠性 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p a c k a g i n gd e n s i t yo f c h i p sh a s b e e ni n c r e a s e dq u i c k l ya n dt h u sr e s u l t e di nh i g h e rd e n s i t yo ft h e r m a lc u r r e n t t h e t r e n do fe l e c t r o n i cp r o d u c t sa r em i n i m i z a t i o n ，t h e i rv o l u m e sa r e i n c r e a s i n g l yb e i n g r e d u c e dw h i l et h ed e n s i t yo fe l e c t r o n i ce l e m e n t si sb e i n gh i g h l yi m p r o v e d e l e c t r o n i c p r o d u c t sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n t oe v e r yf i e l d ；h o w e v e r , t h e i rp e r f o r m a n c ew a s d e t e r i o r a t e db yh i g hc i r c u m s t a n t i a lt e m p e r a t u r ea n dp o o rh e a td i s s i p a t i o nc a p a b i l i t y , w h i c hh a sm a d et h e o v e r h e a t i n gp r o b l e mm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g t h e o v e r h e a t i n go rt h e r m a lf l a wi st h em a i nc a u s eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t s f a i l u r e ，a n d s e v e r e l yh a m p e r si m p r o v e m e n to fe l e c t r o n i c p r o d u c t s r e l i a b i l i t y t h e r e f o r e i t b e c o m e sa ni s s u et h a tn e e d su r g e n ts o l u t i o n t h es p e c i f i c w o r kt h a th a sb e e nf i n i s h e di nt h i sw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 n u m e r i c a lm o d e l so fc h i p sa r ec r e a t e du s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h e m l a l p e r f o r m a n c eo ft h ec h i p si ns t e a d ya n dt r a n s i e n tc o n d i t i o n sa r es t u d i e da n d c o m p a r e dw i t hp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t t h ee r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n d p r a c t i c a lm e a s u r e m e n ti st o l e r a b l e 2 t h et h e r m a lr e s p o n s eo ft h ec h i p su n d e rh i g h p o w e rp u l s e 1 0 a di sa n a l y z e d ，a n d t h er e s u l ti sv e r yc l o s et ot h e p r a c t i c a lm e a s u r e m e n t 3 t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h et e m p e r a t u r eo f c h i p si s d i s c u s s e d ，a l o n gw i t ht h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fe n c a p s u l a t i o nm a t e r i a l s u p o nc h i pt e m p e r a t u r e t h er e s u l t so b m i n e dh a v eg r e a tv a l u ef o rm et h e r m a l d e s i g no ft h ee l e c t r o n i cc o m p a n i e s 4 ap r e l i m i n a r ys t u d yo fe l e c t r o - t h e r m a lc o u p l i n gi s p r e s e n t e d a n dt h ef e a s i b i l i t y o f c o m b i n i n gt h e r m a la n de l e c t r o n i ct e s ti sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：c h i p ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；t h e r m a la n a l y s i s ；r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毒鲸签字吼川夕年莎月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 枣灰奄陕 签字日期：力叨年月红e t 导师躲磊哼 导师签名：一苫，珥 签字日期：仍夕年参月l - e t 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 现代生活中电子设备己经渗透到了民用、工业、军事等各个方面。电子设备 运行的可靠性对于人们生活起着越来越重要的地位；在军用设备方面尤其如此， 任何一个小元件的损坏都有可能造成无法估量的损失。 电子设备的主要失效形式是热失效。随着温度的增加，其失效率呈指数增长 趋势。在电子行业中，器件环境温度每升高1 0 0 c 时，往往其失效率增加一个数 量级，这就是所谓的“1 0 0 c 法则。根据相关文献记载，电子设备的失效率 有5 5 是温度超过规定的值引起的，因此，对电子设备而言，即使是降低l 。c ， 也将使设备的失效率降低一个可观的量值，这对于可靠性要求高的电子系统尤为 重要。例如，民航的电子设备每降低1o c ，一定温度下其失效率将下降4 ；再 如：p i i l 5 0 0 芯片【2 1 ，其集成的元器件数目达到了百万之多，运行温度显著提高， 虽然采用了散热片、风扇等措施来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果i n t e i 公司不得不将其工作电压从5 v 降低到3 v ，甚至更低，以减小其功耗，控制内 部温度，保证其正常工作。可见温升的控制是十分重要的。 现代电子产品有三大发展趋势： 第一、微电子器件封装密度不断提高 随着微电子技术的迅速发展，微电子器件封装密度得到了迅速提高。目前芯 片上的逻辑门数量高达数百万【3 1 ，每个芯片上的i 0 数可超过6 0 0 个，致使芯片 的功率密度( 热流密度) 值迅速提高。研究表明，芯片级的热流密度可高达 1 0 0 w c m 2 。 第二、电子设备外形尺寸不断缩小 电子设备日益复杂，而且不断向微小型化的更高层次发展以及为适应空间尺 寸等特殊需求，导致元器件数量增加，而设各外形不断缩小。元器件密度提高， 热量集中，电子设备局部温度过高，使得电子设备在高温条件下工作【4 】。图1 - 1 与图1 2 分别为芯片功率和热流密度的发展趋势。 第一章绪论 图1 - 1 芯片功率发展趋势图1 - 2 芯片热流密度发展趋势 第三、电子设备运行环境( 热环境) 的不断提高 电子设备的使用范围日益广泛，其使用环境( 热环境) 变化很大。特别是航空 航天领域，电子设备的热环境非常苛刻，温度高，温差变化入。例如，飞机内设 备舱的非工作环境温度范围是5 7o c - - 9 5o c ，工作环境温度范围为5 4o c 7 1o c ，该环境温度必然要影响在其中的电子设备的温度。电子设备所处的热环 境将使设备的电路板、元器件的温度升高，或者降低，或者受到温度冲击( 温度 循环) 。电子设备在这种苛刻的热环境中性能会极大地下降，而且不能可靠地工 作，甚至降低工作寿命。 上述三个发展趋势对电子产品热可靠性有不可避免的冲击，电子热设备过热 的问题己成为亟待解决的重要问题，早引起世界各国的高度重视。 1 2 国内外研究现状 国外在六十年代开始电子设备热分析，热设计及热测量方面的研究工作，大 规模开始研究电子产品的热问题是在八十年代中期。目前，国外在电子设备热设 计和热测量方面技术较成熟，如美国七十年代就颁布了可靠性热设计手册，日本 电气公司在1 9 8 5 年推出的巨型计算机已采用水冷温度控制技术 5 】。目前热设计、 热测试的研究相对较少，而在热分析方面的研究较多，主要解决电子设备温度分 布计算的快速性和准确性。 随着电子技术在通讯、航空航天等领域里的大量应用，由电子产品的热缺陷 导致系统可靠性下降的问题获得广泛的重视。到目前为止，国内外学者己做了大 量的研究工作，取得了许多有价值的成果，现将其主要技术成果综述如下。 w e i s sj 等人通过对电子元件封装的热分析，提出电子系统可靠性的关键是保 持i c 的结点温度低于允许工作温度点，详细研究了如何使用有限元法进行电路 第一章绪论 板的热分析【6 】。使用有限元法分析电路板的热性能分四个步骤：第一步建立几何 设计模型；第二步产生描述几何模型的网格；第三步求解相关数学方程；第四步 处理结果形成报告。对于分析汽车或空间飞行体的零件以上步骤是相同的，但是 电子系统的热分析还需要一些专业工具。为了提高效率，热分析的建模工具必须 与电路板设计和布局的c a e c a d 系统集成在一起，指出了热分析将来的发展方 向。 s c y a o 教授等研究了具有不等高度元件的二维电路板热性能，而且考虑了 电路板的导热，对流和热辐射，对此研制了计算温度分布的软件。在对流换热中 考虑了局部体积平均温度的变化和元器件的热尾流的影响。流场可以是强迫对 流，自然对流或者是二者的混合。通过元件引脚导热和电路板的导热，在各种条 件下的热辐射都进行了计算。为了检验软件的计算效果，对具有七十个元件分七 列的电路板进行了红外热测试，获得了热图像。实验表明，计算与实验测试数据 一致。s c y a o 教授等通过对具有不等高度元件的二维电路板热性能的研究得出 了许多有参考价值的结论1 7 】。 j o s h u ac l i u 等人首次采用边界元法( b e m ) 计算电子封装系统的温度分布。 该方法首先将元件的基本传热微分方程转化为边界上的传热积分方程，然后将这 些积分方程离散化，利用选点方法求解积分方程，从而获得电子元件的温度分布。 在过去的二十年里，计算机辅助工程分析人员主要依靠有限元法( f e m ) 解决传 热的各种问题，包括二维、三维线性或非线性的i c 封装的传热模型。由于f e m 建模方法复杂，获得计算结果需要较长的时间，影响了电子设备的最终设计。而 b e m 对于实际问题的建模提供了快速的方法，尤其是对元件的三维模型，对某 一设计的参数的变化能够更加迅速地建立传热模型获得温度分布峭j 。 美国r o m e 空军发展中心开发了计算电路板元件结点温度的专家系统，称之 为个人计算机( p c ) 热分析器，大大地提高了元件结点温度的计算效率，为可 靠性设计人员提供了进行电路板热分析的选择。在电路板设计阶段，完成传统的 热分析需要大量的时间和热分析的专业知识，而p c 热分析器不需要热分析领域 里的专业知识，在设计阶段就可获得有价值的结果。p c 热分析器是两个技术领 域热分析和专家系统结合的产物。由于许多可靠性和电子设计工程师缺乏热分析 的知识，基于规则的专家系统是最适合的补救办法。将基本热分析的专家知识规 则添加到专家系统框架，就形成了p c 热分析器。研究表明，p c 热分析器比传 统的有限差分的热分析方法计算速度快、精度耐们。 半解析法预测印制电路板稳态温度是由j o h nn f u n k 等人提出的。该方法对 电路板及其上的元件分别建立传热方程，并有各自的解析解。电路板温度的解析 解是采用格林函数方法求解电路板的传热方程获得的；而芯片的解析解则是利用 第一章绪论 分离变量法求解其传热方程得到的。半解析方法运算时间短，精度与有限元法相 同1 1 0 】，但是该方法适合于将电路板及其上的元器件简化为长方体的系统。美国奥 克兰大学b c a h l o n 对对流冷却及电子元件的优化布局进行了深入研究，建立了 电子设备强迫对流冷去的数学模型l l l 】。该模型由两类耦合离散系统组成，一类是 关于电子设备的温度方程，另一类是与其相关的温度方程。b c a h l o n 等证明了该 数学模型的解存在且唯一，稳态解是收敛的。 还有许多学者对p c b 板及元件的热性能、温度进行了研究。例如w i l l i a m m g o d f r e y 等人采用解耦、叠代数值技术确定p c b 板的温度分布【l2 | 。d a g u a n gl i u 等人采用渐进波形估计概念的新技术求解温度分布【l3 1 。b e nc h e r m b e r s 等人采用 计算流体动力学( c d f ) 工具预测便携式电子产品的温度，与实验测试结果相比 误差在l o 以内【m j 。 国外的电子设备热设计，热控制技术发展比较成熟，而且受到军方的重视。 美国威斯康星大学d s 斯坦伯格在其专著【1 5 j 中详细论述了电子元件和设备封装 结构设计技术。阿伦d 克劳斯，艾弗兰巴科恩在其专著【l6 】中系统地阐述了电 子元器件熟环境的分析与研究，电子元器件，印制电路板，微波设备，微电子与 导航设备的热控制与热分析技术，以及冷却技术。美军方于1 9 7 8 年1 月将电 子设备可靠性热设计手册印刷并列入军用手册系列，代号为m i l h d b k 2 5 1 【1 7 。 国内由于电子工业的发展落后于国外，因此电子设备的热分析、热设计、热 测试技术理论的研究较少，水平较低，尚处于起步阶段，电子设备的在国内行业 中，电子设备研制单位存在着仅凭经验作一些初步的热设计和采取一定控制措施 的误区，没有进行科学合理的热分析、热设计与热试验工作，电子产品的热设计、 热控制措施缺乏科学性和合理性，因而其可靠性与国外同类产品相比有较大差 距。但目前我国一些航天领域、军用武器装备领域己经对热设计和热性能的鉴定 提出明确的要求，通过对国外热设计技术的研究，国防科工委于1 9 9 2 年7 月发 布了国家军用标准g j b z 2 7 9 2 电子设备可靠性热设计手册，提供了军用电子 设备热设计、热可靠性分析与鉴定的方法，亦提供了热设计的基础理论和计算方 法，是进行热设计的基本依据p j 。 9 0 年代，电子工业部第十三研究所，编制程序对较高密度封装中的各结构成 分建立模型，应用所编程序对封装实例提取出等效电阻网络，作了模拟分析。重 庆大学工程热物理研究所曾对集成线路板的分布热源产生的三维热传导模型，采 用有限差分数值法求解，给出了温度分布及其受基板导热系数、局部热源尺寸和 排列影响的结果。 近年来，信息产业部电子第五研究所环境中心在应用计算机数值传热分析技 术于热设计评定技术方面，利用计算机数值传热分析技术( c f d ) ，结合精密热 4 第一章绪论 1 测试技术和热设计评价的规范和准则，把以往热设计和热评定的独立的工程实施 步骤归结为计算机热设计评定。并且建立了适用各种电子设备类型的计算机热评 模型和设计方法，这种模型方法适用于从芯片级、电路板级、机箱级到系统级电 子设备，从电子材料、电子设备、计算机类、雷达天线到环境试验设备的各种产 品和设备l l 引。 西安电子科技大学开发了电子设备计算机辅助热设计软件，解决一般电子设 备常用机箱强迫风冷的热分析问题，它主要是根据对电子设备机箱的通风散热的 特殊要求( 体积小、冷却效果好) ，运用计算机辅助设计和采取有限差分的数值 传热学方法对电子机箱的强迫风冷进行热分析，通过计算，得到机箱内部的三维 速度和温度场分布，并较精确地计算出机箱内部印制电路板上各元器件的温升变 化情况，为电子设备机箱的热设计定量分析提供了具有工程实用价值的分析方法 【1 9 】 0 付桂翠教授、方志强硕士则对功率器件及散热器做了专门的热优化设计 【2 0 也】，相应地其他一些院校和研究所也做了芯片级的一些热分析热测量方面的 研究，基本上都是基于大规模集成电路的布线优化方面的热分析研究1 2 引。 1 3 课题的主要研究内容 本课题受飞思卡尔半导体( 中国) 有限公司第二校园计划“芯片电热特性三 维仿真模型的开发 支持，主要研究内容为： 1 ) 利用有限元技术以某系列车载电子芯片为研究对象，建立三维模型，进 而分析芯片温度场分布，并于实际测量结果比较。 2 ) 通过不同外界冷却条件及封装参数下热场的模拟，分析影响芯片热性能 的各设计因素，为芯片设计及其安装方式的优化提供了可靠数据。 3 ) 对热电耦合方法做了初步研究，为将热测试与电测试结合作了可行性探 讨。 1 4 论文组织 论文的各章节的具体安排如下： 第一章绪论。对课题的背景和意义作了简要的说明，重点介绍了在热分析领域 中被广泛关注的技术和成果并说明课题的主要内容和本论文的组织结构。 第二章电子设备热技术概述。说明了热可靠性的概念，进而介绍了热分析、热 设计和热检测的方法，介绍了本课题采用的分析软件c o m s o l 第一章绪论 m u l t i p h y s i c s 。 第三章有限元法求解温度场原理。阐述了温度场的热分析原理，详细介绍了有 限元热分析计算方法。 第四章芯片三维温度场分析。介绍了芯片的三维模型的建立，分析了三维温度 场稳态和瞬态仿真结果、大脉冲载荷下的温度响应、对流换热系数和芯片 封装材料参数变化对温度的影响，分析了p c b 板安装位置对系统温度的 影响，最后探讨了热电耦合分析模式的可行性。 第五章总结与展望。对本课题的工作做了大概的总结，并对未来开展的工作提 了些建议。 6 第二章电子设备热技术概述 2 1 热可靠性概述 第二章电子设备热技术概述 可靠性是指在具体的使用条件下，电子器件能正常工作到使用寿命为止【2 4 1 。 所有电子元件都对温度敏感，超出极限温度时它们的性能将变得很差，如果温度 大大超出工作温度范围，元件可能会损坏。例如在电源模块中的电子变压器，决 定其受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点。软磁材料居里点高，受温度影 响小：如锰锌铁氧体的居里点只有2 1 5 0 c ，比较低，磁通密度、。磁导率和损耗 都随温度发生变化，除正常温度2 5o c 外，还要给出6 0 0 c ，8 0 0 c ，1 0 0 0 c 时的 各种参数数据。因此，锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在1 0 0 0 c 以下，也 就是环境温度为4 0 。c 时，温升必须低于6 0 。c 【2 5 】。 电子元器件的工作温度是通常是由生产制造商规定的一般情况下规定为： 工业级：2 0 0 c 8 5o c ； 民用级：0 0 c - 7 0o c ； 军用级：5 5o c 1 2 5o c ； 电子设备是由大量的电子元件组成的，正是这些电子元器件的功耗造成了电 子设备的内部及其周围环境温度过高，导致电子设备失效率大大增加，降低了设 备的可靠性和使用寿命。电子器件所用的材料都具有一定的温度极限，当超过这 个极限时，物理性就会发生变化，器件就不能发挥它预期的作用，还有可能发生 故障，从电子元件故障率的统计数据中可以看出电子器件的故障率与其工作温度 有密切关系f 2 6 j ，由图2 1 ，可以明显看出温度对电子设备的可靠性起着重要的作 用。 目前在生产工艺方面也采取一定的措施来降低温度对电气元件可靠性的影 响。 1 降低热阻，改善散热 2 二次集成和封装技术近年来开发的模块电源无一例外采取表面帖装 技术1 2 7 1 。 第二章电子设备热技术概述 1 五 稃 鳗 蓬 v 锝 避 稻 5 01 0 01 5 02 0 0 温度 图2 - 1 各种电子器件的温度与故障率曲线图 目前电子设备热可靠性数值研究多在均温、恒幅载荷条件下进行。虽然恒幅 循环加载( 包括温度、应力、应变等) 研究是可靠性研究的主要内容，但由于工 程应用中的服役条件不可避免地含有变幅载荷谱、腐蚀环境、低温或高温以及多 轴应力状态，现场服役条件远比实验条件复杂，在恒幅循环加载条件下获知的信 息不能客观描述服役条件参量状态。因此，对服役条件下封装器件进行数值研究， 有利于更客观地反映和评价其热可靠性。 对电子元器件的热可靠性实验分为五类【2 8 】： 1 ) 低温实验。考核低温对电子元器件的影响，确定电子元器件在低温条件 下工作和储存的适应性。例如，半导体器件在低温条件下能否正常工作，在低温 作用后是否有机械损伤和电参数变化的情况，以及在低温储存的条件下，保持性 能的能力等。 2 ) 高温实验。电子元器件在高温环境中，其冷却条件恶化，散热因难，将 使器件的电参数发生明显变化或绝缘性能下降，高温实验将考核高温对电子元器 件的影响，确定电子元器件在高温条件下工作和储存的适应性。 3 ) 温度循环。考核电子元器件在短期内反复承受温度变化的能力及不同结 构材料之间的热匹配性能。温度循环试验是模拟温度交替变化环境对电子元器件 的机械性能及电气性能影响的试验。 4 ) 热冲击实验。考核电子元器件在突然遭到温度剧烈变化时之抵抗能力及 适应能力的试验。 5 ) 热性能实验。在给定的热条件下测试电子元器件的有关性能，热条件下 第二章电子设备热技术概述 的性能与常温下的性能的差别大小表明该电子元器件的抗热能力的大小。在高温 环境下，电子元器件的散热条件变差，热匹配不好的电子元器件内部温度发生变 化。温度场的变化引起电子元器件的性能发生变化。同一温度下，不同的电子元 器件的性能变化不同。为了考核电子元器件在高温下性能变化的大小必须做热性 能试验。 2 2 热分析方法 2 2 1 热分析定义及方法 电子设备热分析，又称为热模拟，是利用数学的手段在电子设备的概念设计 阶段获得其温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在产 品的概念设计阶段就能发现热缺陷，从而改变其设计1 2 9 1 。 目前电子设备热分析方法主要分三类：拟回路法、解析分析方法和数值分析 方法。由于计算机技术的迅速发展，数值分析法得到了较快的发展。所有的电子 设备热分析软件都采用数值分析方法一有限元法或有限差分法或二者的结合。- 1 ) 拟回路法 利用电路分析方法，将热流( 功耗) 模拟为电流，温差模拟为电压( 电位差) ， 热阻模拟为电阻，热容模拟为电容，热导模拟为电导，然后应用电路网络表示的 方法来处理热设计的问题，这样我们可以把分析电路的知识应用到热流的分析 中，而且有利于计算机分析计算。这种方法，尤其适用于传导性热传递，在考虑 其它从热传递方式的非线性情况下，此方法也适用。 2 ) 解析分析方法 该方法首先建立电子元件，电路板的传热微分方程或积分方程，通过求解微 分方程得到元件、电路板温度分布的数学解析表达。由于传热方程多数是高阶偏 微分方程，目前缺乏求解这类方程的有效方法，对于复杂的几何形状和边界条件 求解温度分布则更困难，而且常常无法获得封闭的解析表达式。该方法在求解电 路板温度分布受到限制，只能求解一些简单的问题，但是对定性地分析影响元件、 电路板温度的因素则很有利。 3 ) 数值分析方法 该方法是以离散数学，数值计算方法为基础，以计算机为工具的一种求解方 法，由于计算传热学及计算机的广泛应用，这种方法成为最常用的研究温度分布 方法。该方法在求解温度分布时考虑了很多因素，例如：元件的几何因素，分布 状态，导热材料的传热系数及周围环境条件等，可以高效高速地应用在产品的热 分析热设计中。传热问题的数值求解方法主要有有限差分法、有限容积法、有限 9 第二章电子设备热技术概述 元法及有限分析法等。 有限差分法是求解偏微分数值解的最古老的方法。对简单的几何形状中的流 动与传热问题也是一种最容易实施的方法。其不足的是离散方程的守恒持性难以 保证，而最严重的缺点则是对不规则区域的适用性差。用有限容积法导出的离散 方程可以保证具有守恒性，而且物理意义明确，对区域形状的适应性也比有限差 分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法，而且随着非结构化网格的研究， 其对不规则几何区域的适应性方面存在不足的现状也正在改进，有限容积法应用 的范围将更为广泛。有限元法对不规则几何区域的适应性好，但在对流项的离散 处理及不可压缩n a v i e r - s t o k e s 方程的原始变量法求解方面不如有限容积法发展 成熟。有限分析法是8 0 年代初发展起来的一种数值方法，它可以克服在高r e 数下有限差分法及有限容积法的数值解容易发散或振荡的缺点，但其计算工作量 较大，对计算区域几何形状的适应性也较差1 3 。 2 2 2 热分析级别 电子设备的热分析可分为三个级别，分别为芯片级、电路板级和系统级 3 1 1 。 芯片级的热分析、热设计及热测试主要研究芯片内部结构及其封装形式对传 热的影响，计算及分析芯片的温度分布，对材料，结构进行热设计，降低热阻增 加传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。该级别的研究主要由元器件 的生产厂家完成。 电路板级的热分析、热设计及热测试主要研究电路板的结构，元器件布局对 元件温度的影响以及电了设备多块电路板的温度分布，计算出电子元件的结点温 度，进行可靠性预计，其热设计则是对电路板结构及其元器件进行合理安排，在 电路板及其所在箱体内采取热控制措施，达到降低温度的目的。该级别的研究主 要由电子设备设计人员及可靠性设计人员完成。 系统级的热分析、热设计及热测试主要是研究电子设备所处环境的温度对其 的影响，其环境温度分是电路板级的热分析的重要边界条件，其热设计是采取措 施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下工作。该级别的研究可由产品 开发人员或用户完成。例如，大型计算机机房的空调设备一般是由用户安装的， 厂家只提供技术要求。 2 3 热设计的目的、原则和要求 1 、热设计的目的 进行热设计的目的就是利用热的传递特性，在充分掌握各种设备失效参数的 l o 第二章电子设备热技术概述 前提下，通过优化设计热流通路，降低设备与散热环境之间的热阻，并提供一个 温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部有害的热量尽可能释放掉， 使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求规定的温度范围之内，确保设备 可靠、安全的工作。 在热设计中，控制电子设备内电子元器件的温度，使其温度在电子设备所处 的工作环境条件下不超过规定的最高安全温度，并使其温度变化达到最小。最高 安全温度的计算应该以元器件的应力分析为基础，并应与要求的设备可靠性和分 配给每一个元器件的失效率相对应。热设计的宗旨是提供热阻相当低的热流通 路，以使元器件温度在最高环境温度时或在冷却剂效率最低时不会超过元器件热 应力分析所确定的最大值。 为了使设备具有相当低的热阻，往往只需要尽量加大单一形式的热传递的传 热量。即使整个冷却系统包含有多种热传递方式，而就某一特定的通路来说，应 当以某一种热传递方式为主。采用某一种传热方式时，其它传热方式可以忽略不 计。建议在热设计中，只要有可能就应该采用这种单一形式的热传递概念。 2 、电子热设计的原则 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计、维修性设计同时进行，在不 损坏电气性能，并符合可靠性要求的条件下，提高设备的可维修性，使设备的寿 命周期费用降到最低；同时根据功耗、环境温度、允许工作温度、经济性与安全 性等因素，选择最简单、最有效的冷却方案，并且方案应该适用于工程型号电子 设备的环境条件；在某些特殊情况下，应该把电子设备与采用直接冷却的外界空 气隔离开，或采用间接冷却；在有辐射的环境下应考虑辐射给设备带来的过热问 题；在恶劣环境下工作的设备，还应考虑怎样有效地防止诸如燃料油微粒、灰尘 等沉积物的措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果；在工作环境或状态 有变化的情况下，还应该考虑这些因素对元器件的温度的影响，使温度变化引起 的热波动减少到最低程度，以免影响设备的可靠性；热设计还应该保证电子设备 在紧急情况下，具有最起码的冷却措施，关键部件，即使冷却系统遭到破坏或不 工作情况下，仍应具有继续工作的能力【3 引。 故可以分别从以下几个方面来考虑： 1 ) 合理选材 印刷电路板的导线由于通过电流而引起的温升加上规定的环境温度应不超 过1 2 5o c ( 常用的典型值，根据选用的板材可能不同) 。由于元件安装在印制板 上也发出一部分热量，影响工作温度，选择材料和印制板设计时应考虑到这些因 素，热点温度应不超过1 2 5o c 。尽可能选择更厚点的覆铜箔。特殊情况下可 选择铝基、陶瓷基等热阻小的板材。采用多层板结构有助于p c b 热设计。 第二章电子设备热技术概述 2 ) 保证热通道畅通 充分利用元器件排布、铜皮、开窗及散热孔等技术建立合理有效的低热阻通 道，保证热量顺利导出p c b 板。在设计中加入些热通孔，可以有效地提高散 热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。 3 ) 元器件的合理排布。这是本文重点研究的核心内容，下面列出的为一些 经验上元器件布局时所遵循的原则： a 避免p c b 上的热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在p c b 板上，保 持p c b 表面温度性能的均匀和一致。 b 最高功耗和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。 c 不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近 安排有散热装置。 d 在设计功率电阻时尽可能选择体积大一些的器件，且在调整印制板布局时 使之有足够的散热空间。 e 高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。 为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料( 如涂抹一 层导热硅胶) ，并保持一定的接触区域供器件散热。 g 器件与基板的连接：尽量缩短器件引线长度；选择高功耗器件时，应考虑 引线材料的导热性，如果可能的话，尽量选择引线横截面最大者。 3 ) 选择管脚数较多的器件。 器件的封装选取：在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率。 应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径。在热传导路径上应避 免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。 3 、电子热设计的基本要求 ( 1 ) 热设计应满足电子设备工作在低于最高允许的工作温度和功耗条件下； ( 2 ) 满足设备预期工作的热环境要求； ( 3 ) 满足对冷却系统的限制要求并且符合相关标准、规范的要求。 在电子产品的热设计中，不仅要考虑单个元件的热负荷，而且还要考虑到各 元件之间的相互影响，即要从整个单元块的热负荷或整机热负荷角度出发，对元 件安装的空间位置进行优化，找出合理的元件布设方式，使单元或整机工作时处 在给定的热状态以内，达到提高可靠性的目的。 从散热方式上看，芯片冷却可分被动及主动式散热两种 3 3 1 。前者的特点在于 芯片温度始终在环境温度以上，没有制冷机构，而后者则一定包含用以获取较低 温度的制冷机构，从而可以将芯片温度降至一个低于环境温度的水平上。毫无疑 问，后者更有利于提高芯片的工作性能，但其可靠性可能低于前者，并且需要更 第二章电子设备热技术概述 多的能耗，因而向环境排放的热量也就更多，而这部分热量最终还是需要采用被 动式散热的方式排放到环境中。虽然前者更多地体现为主动，而后者则有被动的 意思，在文中它们均理解为将芯片上热量散走的意思。然而，在热设计中如果采 用加入风扇进行冷却的话，会给可靠性带来一层不稳定因素，因此本文在分析 p c b 板热设计时( 考虑到热可靠性) ，采用被动式而不是主动式冷却方式( 涉及 了自然对流和传导) ，以使元件在较低的温度范围内工作。 2 4 热检测方法 热测试是在电子设备的样机阶段对电子设备正常工作时的温度进行测量，获 得电子设备的实际温度分布，是获得其温度最准确的手段，也是检验电子产品传 热特性的指标是否达到预定要求的最终检测手段【3 训。 对电子设备( 产品) 进行热测量，其方法主要分为接触式和非接触式二种。 接触式测量温度方法有热电偶温度传感器测量法、集成电路温度传感器测量法、 热敏电阻传感器测量法、光纤温度传感器测量法等。接触式测量温度方法具有精 确、可靠、直观等特点，对封闭在腔体内的各种组件、器件的温度测量和大空间 远距离多点的温度测量大都采用这种方法。但这种方法在多点的温度测量中，传 感器安放繁琐复杂，工作量大，检测效率低。 非接触式测量法主要是红外测量温度法。由于被测物体的黑率受材料本身的 性质、表面状态、温度等多种条件的影响，不易确定，因而影响其测量精度；同 时只能测量相对测量仪表面的温度，所以其使用场合受到测量空间的限制。但这 种类型的仪器在测量中不必与被测物体相接触，不会破坏原来的热场，同时消除 了接触式测温中传感元件与被测物体之间的接触热阻，如果将设计时芯片的温度 分布与显微红外热像仪分析的结果进行比较更可进一步获得芯片在制造工艺过 程中引进的缺陷、热分布及最高热点的变化。从而有助于失效部位的定位和失效 机理的分析。这是该方法的优点。总之，热测量方法是获得温度分布精度最高的 方法，但是代价太高，一般直到最后的样机阶段采用该方法；同时也是获得热分 析所需要的传热特性参数的唯一手段，但是目前的热测量系统还不能实时辨识热 分析所需要的传热特性参数，而修改热分析软件的数据库。 第二章电子设备热技术概述 2 5 有限元分析软件- c o m s o lm u l t i p h y s i c s 2 5 1c o m s o l m u l t i p h y s i c s 介绍 c o m s o lm u l t i p h y s i c s 是款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领 域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理 场直接耦合分析软件 。模拟科学和工程领域的各种物理过程，c o m s o l m u l t i p h y s i c s 以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度 精确的数值仿真。 c o m s o l 公司于1 9 8 6 年在瑞典成立，目前已在全球多个国家和地区成立分 公司及办事机构。c o m s o lm u l t i p h y s i c s 起源于m a t l a b 的t o o l b o x ，最初命名 为t o o l b o x l 0 。后来改名为f e m l a b l 0 ( f e m 为有限元，l a b 是取自于m a t l a b ) ， 这个名字也一直沿用到f e m l a b 3 1 。从2 0 0 3 年3 2 a 版本开始，正式命名为 c o m s o lm u l t i p h y s i c s 。c o m s o lm u l t i p h y s i c s 以其独特的软件设计理念，成功 地实现了任意多物理场、直接、双向实时耦合，在全球领先的数值仿真领域里得 到广泛的应用。在全球各著名高校，c o m s o lm u l t i p h y s i c 已经成为教授有限元 方法以及多物理场耦合分析的标准工具，在全球5 0 0 强企业中，c o m s o l m u l t i p h y s i c 被视作提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发的重要工具。2 0 0 6 年c o m s o lm u l t i p h y s i c s 再次被n a s a 技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”， n a s a 技术杂志主编点评到：“当选为n a s a 科学家所选出的年度最佳c a e 产 品的优胜者，表明c o m s o lm u l t i p h y s i c s 是对工程领域最有价值和意义的产品。” c o m s o lm u l t i p h y s i c s 是专为描述和模拟各种物理现象而开发的基于有限元 分析的软件，它使的建立各种物理现象的数学模型并进行数值模拟计算变的更为 容易和可能。在使用c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件的过程中，可以使用其提供的特 定物理应用模型，也可以使用自己建立的偏微分方程。这些特定的物理模型包括 在一些特殊应用领域内预先设定好的模块和已经通过微分方程和变量建立起来 的用户界面。此外，该软件通过把任意数目的这种物理应用模型整合成一个个单 一问题的描述，使得建立耦合问题变的更为容易。其主要应用领域为：声学；生 物科学；化学反应；弥散：电磁学；流体动力学；燃料电池；地球科学；热传导； 微电机系统；微波工程；光学；光子学；多孔介质；量子力学；无线电频率部件； 半导体设备；结构力学；传动现象；波的传播等等各种可以用偏微分方程( p d e ) 描述的数学、物理和工程领域。 在热分析方面研究人员多使用a n s y s 、f l o t h e r m 和i c e p a k 这三种软件 0 5 - 3 7 1 ，而c o m s o lm u l t i p h y s i c s 以其耦合优势著称，适合本项目工程需要。 1 4 第二章电子设备热技术概述 2 5 2c o m s o l 有限元分析介绍 1 ) 建立几何模型 c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件提供了强大的c a d 工具用于创建一维、二维和 三维几何实体模型。通过工作平面创立二维的几何轮廓，并使用旋转、拉伸等功 能生成三维实体，也可以直接使用基本几何形状( 圆、矩形、块和球体) 创立几 何模型，然后使用布尔操作形成复杂的实体形状。可以在c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件中引入其它c a d 软件创建的模型。c o m s o lm u l t i p h y s i c s 软件的模型导入 和修补功能可以支持d x f 格式( 用于二维) 和i g e s 格式( 用于三维) 的文件， 也可以导入二维的j p g 、t i f 和b m p 文件并把它们转化成为c o m s o l m u l t i p h y s i c s 的几何模型。对于三维结构也同样如此，甚至可以支持三维m r i ( 磁 共振数据) 数据。与s o l i d w o r k s 和a u t o c a di n v e n t o r 的双向连接，可以在线实 时进行设计，或通过c o m s o lm u l t i p h y s i c s 进行几何结构的参数化估算和设计。 2 ) 定义物理参数 只需要在图形化的对话框中对变量进行简单的设置，例如n a v i e r - s t o k e s 方程 中的黏度和密度参数，以及电磁场中的传导率和介电常数等。参数可以是各向同 性、各向异性的，可以是标题，也可以是某些变量、空间坐标以及时间的函数。 3 ) 划分有限元网格 c o m s o lm u l t i p h y s i c s 网格生成器可以划分各种常见的网格单元，自适应网 格划分可以根据计算结果自动提高网格质量。另外，也可以人工参与网格的生成 从而达到更精确的结果。 4 ) 求解 c o m s o lm u l t i p