基于ANSYS的电子组件有限元热模拟技术

随着电子组件集成化程度越来越高，单位何种内的热耗散程度越来越高，导致发热量和温度急剧上升，由于热驱动引起的机械，化学、电气等可靠性问题越来越严重，严重影响了产品的质量和可靠性，本文以大功率电子组件DC/DC电源变换器为例，提出了基于通用的大型有限元分析软件ANSYS进行热模拟分析方法，并利用实验结果对模拟结果进行了验证。     

热电冷却器向小型化发展

半导体行业在下一代技术中所面临的两大技术挑战是散热和有效的功率传输。即使小型晶体管也需要降低电源电压,但是更快的时钟速度和越来越多的使用叠芯封装使散热成为一个关键问题。而且,当电源电压减小后,具有足够品质的电源成为更大的挑战。     

电子封装热管理的热电冷却技术研究进展

电子封装器件中芯片的散热问题一直是制约其发展的瓶颈。综述了芯片的产热特征、散热需求与散热方式。对热电冷却(TEC)技术在芯片散热系统上的应用进行分析,指出了其不足之处与特有的优势。对热电冷却技术在芯片热管理方面应用研究的现状与进展进行了总结评述。     

有限元模型生成及其在热分析中的应用

为了获得物体的模拟热像,首先建立待分析物体的有限元模型.基于AutoCAD和ANSYS两个软件的特点,提出了一种建立有限元模型的解决方案,并进行了角系数和温度场的计算,最终显示了物体的三维模拟热像.     

基于有限元方法的功率型LED灯热分析

针对大功率型LED灯的热特性,利用有限元方法构建其3D模型,并在三维模型基础上得到LED灯的稳态温度场分布图;采用红外热像仪器对在不同占空比和频率下的稳态工作状态温度进行测量;将实物进行实验测量得到的温度数据与有限元分析的温度值进行比较和分析,证明了设计仿真的准确性和可靠性。     

有限元分析法在MCM三维热模拟中的应用

多芯片组件(MCM)的可靠性特别是其热可靠性已经成为国内外电子产品可靠性研究的焦点之一.热有限元分析法是多芯片组件热分析的重要方法.本文运用ANSYS工具建立了MCM的三维热模型,得到了温场分布.通过热模拟和热分析,提出了改善MCM温场的方案.     

有限元分析法在MCM三维热模拟中的应用

多芯片组件(MCM)的可靠性特别是其热可靠性已经成为国内外电子产品可靠性研究的焦点之一. 热有限元分析法是多芯片组件热分析的重要方法. 本文运用ANSYS工具建立了MCM的三维热模型，得到了温场分布.通过热模拟和热分析，提出了改善MCM温场的方案.     

微沟道冷却器的散热分析

对增加激光二极管的发光功率密度，可把微沟道散热器看作数百个平行的微小翅片，建立一个微沟道散热的数学模型，以此计算出的泵压极限和热阻系数与文献（１）的实验结果一致。     

大功率LED照明灯有限元热设计与高效系统开发

随着LED亮度要求的不断提高,LED的温度分布和采用的散热手段对LED的可靠性有很大影响。利用ANSYS软件对LED照明的散热问题进行了详细的模拟计算。基于100 WLED实验和模拟结果的一致性,分析比较了不同结构和加载方式对200 WLED温度分布的影响。采用增加散热片个数及其长度、Al锭厚度、灯头的直径等因素,对LED的散热进行了优化设计,结合基于VC++的二次开发系统,较好实现了LED热模拟分析。研究发现LED照明灯的传热方向主要是轴向,轴向散热设计可提高LED开发效率;点阵排列LED灯的温度分布呈现一定的温度梯度;在基于实验验证的模拟可以较好实现不同功率的LED灯散热设计。模拟分析为LED的散热方案优化设计提供了有效的参考依据和手段。     

空间观测设备热设计与热分析

以观测设备为研究对象,根据观测设备工作的环境和本身结构特点,选择了传导散热措施;在研究传导散热理论基础上,对大功耗元器件进行了传导散热设计。通过建立有限元模型,对散热片的厚度、散热片的接触面积与各功耗器件的稳态温度关系进行了分析和优化,得到散热片的最优传导面积。实验结果表明,进行了热设计的观测设备,在环境温度为-20～50℃的环境中,通电工作正常,且稳态温度不超过85℃,满足使用要求。     

热电制冷器制冷工作电流特性分析

随着高性能制冷CCD成像系统已经成为航天成像式探测的一个重要发展方向,热电制冷作为一种有效的电子设备冷却方法广泛用于重要部件的主动热控.为了实现热电制冷器工作电流的合理选择,在分析热电制冷机理的基础上,首先介绍了热电模块的3种工作模式(制冷、加热和热电发电),同时研究了热电偶内温度分布的一般形式,最后,在第一类边界条件...     

基于COSMOSWORKS有限元分析的HDI板热应力仿真

电子产品的高电气性能发展趋势要求了PCB制造的高密度化与芯片设计的大规模集成化。当大功率芯片无法快速散热时,PCB基体将发生温度分布不均匀现象,并且温度分布不均匀产生的热应力又会影响PCB的可靠性。本文以热分布不均匀的HDI刚挠结合板为研究对象,通过有限元数值模拟方法建立了HDI板结构模型,采用热生成加载的方式给HDI板施加热量,模拟计算出在均匀温度场中HDI板因材料热膨胀系数差异产生的层间热应力。仿真结果表明了界面热应力的大小、分布和HDI板材料的热膨胀系数、温度载荷密切相关,并且能快速观察到引起HDI板失效的层间热应力趋势,为优化HDI板结构设计、提高HDI板可靠性提供了理论依据。     

基于有限元模型的三维集成电路热分析

基于有限元理论,对三维集成电路(3D-IC)进行了建模和仿真,研究了不同模型的热分布和计算复杂度.通过Gmsh软件创建3D-IC模型并生成网格化文件.利用Matlab软件提取有限元参数,获到模型的刚度矩阵.用层次矩阵(Hierarchical matrix,H-matrix)表示刚度矩阵,得到了不同模型刚度矩阵的求逆所消耗的存储空间和运算时间.结果表明:随着模型刚度矩阵行列数目的增加,所需要的运算时间和存储空间呈现线性变化关系.     

热电制冷器的等效电路模拟与分析

作为半导体激光器组件的重要一部分，热电制冷器（TEC）工作特性的模拟对激光器组件的设计与优化有着重要的意义。根据实际器件的结构模型，建立了考虑各种影响因素所造成的附加热阻和接触电阻的数学模型，进而推导出TEC的等效电路模型。用SPICE进行了TEC各种特性的仿真和讨论，分析了环境温度、制冷功率、附加热阻、接触电阻、工作电流以及电流源等对TEC工作特性的影响。采用等效电路模拟对于TEC的设计、优化和应用控制是一种有效的方法。     

有限元矩阵的激光谐振腔模式分析

为了研究激光谐振腔的模式分布,采用基于有限元矩阵的分析方法,对圆形镜谐振腔进行了计算分析,并验证了该方法的可行性和有效性。在此基础上,对腔镜单元的合理划分进行了研究。通过拟合相对误差与单元格划分精细程度的关系求出合理单元格数,进行了实例计算和分析,结果符合较好。结果表明,该方法使激光谐振腔模式的分析更加精确和方便。     

激光辐照非制冷微测辐射热计的理论研究

为了研究非制冷微测辐射热计的激光损伤阈值,根据非制冷微测辐射热计的构造和成像原理,分析了像元温度响应机制,推导出了零偏置下和单次偏置时间内像元受到激光辐照的温度增量计算公式;建立了激光辐照非制冷微测辐射热计的有限元分析模型,结合实际工作条件加载热源载荷进行仿真,模拟了激光造成软损伤的过程。结果表明,激光软损伤阈值可按照零偏置条件下像元温度响应的公式近似计算,其对应的温度偏差不大于3%。该研究为激光压制干扰红外成像系统的损伤阈值计算提供了参考。     

基于有限元的晶体振荡器PIND振动仿真分析

PIND试验可有效检查气密封装元器件内部是否存在可动多余物,但对晶体振荡器进行PIND试验时,由于其内部工艺结构的特殊性,容易造成误判。为研究其内部特殊结构对PIND试验结果的影响,在此利用ANSYS有限元分析软件的LS-DYNA模块,通过建立晶体振荡器的有限元模型,仿真其PIND试验的振动过程。从应力角度分析晶体振荡器内部物理结构：弹簧与自由颗粒的振动对腔体内壁的影响,对比得出晶体振荡器的PIND可适性参考结论。     

Study on a cooling system based on thermoelectric cooler for thermal management of high-power LEDs

To improve the heat dissipation of high-power light-emitting diodes (LEDs), a cooling system with thermoelectric cooler (TEC) is investigated. In the experiment, the 6 × 3 W LEDs in two rows are used to compose the light source module and the environment temperature is 17 °C. The temperatures of heat dissipation substrate of LEDs and cooling fins of a radiator are measured by K type thermocouples to evaluate the cooling performance. Results show that the temperature of the substrate of LEDs reaches 26 °C without TEC. However, it is only 9 °C when the best refrigeration condition appears. The temperature of the substrate of LEDs decreases by 17 °C since the heat produced by LEDs is absorbed rapidly by TEC and dissipated through the radiator, and the junction temperature of LEDs reaches only 45 °C which is much lower than the absolute maximum temperature of LEDs (120 °C). The experiment demonstrates that the cooling system with TEC has good performance.     

Computed basis functions for finite element analysis based on tomographic data

In bioelectromagnetics, the structures in which the electromagnetic field is to be computed are sometimes defined by a fine grid of voxels (3-D cells) whose tissue types are obtained by tomography. A novel finite element method is proposed for such cases. A simple, regular mesh of cube elements is constructed, each containing the same, integer number of voxels. There may be several different tissues present within an element, but this is accommodated by computing element basis functions that approximately respect the interface conditions between different tissues. Results are presented for a test model of 128 (3) voxels, consisting of nested dielectric cubes, driven by specified charges. The electrostatic potential computed with the new method agrees well with that of a conventional finite element code: the rms difference along the sample line is 1.5% of the highest voltage. Results are also presented for the potential due to a current dipole placed in a brain model of 181 × 217 × 181 voxels, derived from MRI data. The new method gives potentials that are different to those obtained by treating each voxel as an element by 1% of the peak voltage, yet the global finite element matrix has a dimension which is more than 50 times smaller.