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1、3/11/2022超大规模集成电路硅衬底抛光1天津工业大学天津工业大学主讲人：张建新主讲人：张建新4D4083/11/20222超大规模集成电路硅衬底抛光p 项目1：实验平台的基本原理与功能操作 p 项目2：翅片散热器的设计与分析实验 p 项目3：热辐射块和板的设计与分析实验 p 项目4：热分布的瞬态分析实验 p 项目5：LED投光灯的散热设计与分析实验 3/11/20223超大规模集成电路硅衬底抛光项目1：实验平台的基本原理与功能操作p 一、计算流体力学（CFD）概述p 二、CFD数值模拟的总体工作步骤p 三、CFD求解过程p 四、常用的商用热分析软件p 五、Icepak软件简介p 六、Ic
2、epak软件的基本操作p 七、单颗LED模块散热仿真的操作演示3/11/20224超大规模集成电路硅衬底抛光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：u单纯流体的场域计算n空气n水体u流体参与传热的场域计算n散热（环境级、系统级、电路板级、元件级）3/11/20225超大规模集成电路硅衬底抛光3/11/20226超大规模集成电路硅衬底抛光3、CFD的基本思想p 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
3、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。p 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3/11/20227超大规模集成电路硅衬底抛光3/11/20228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
4、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3/11/20229超大规模集成电路硅衬底抛光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
5、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3/11/202210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 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm TpppTuTvTwTtxyzTTTSxcxycyzcz能量守恒方程：（包含 三维、源项、时间项）质量守恒方程：（包含
6、 三维、时间项）0uvwtxyz质量守恒的能量守恒方程：（二维、无时间项、无源项）22220TTxy3/11/202211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 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm初始条件：因无时间项，所以可不设定初始条件。边界条件：0,0;4,0;0,0;4,1.xTxTyTyT(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，
7、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 xyij(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)3/11/202212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 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1),1,1
8、,1,11()42,3,4;2,3,4i jijiji ji jTTTTTij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,01,5;1,2,3,4,52,3,4;112,3,4;5i ji jTijijTij，其中。以及。，其中。3/11/202213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 xy0 K0
9、K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)2,43,44,42,33,34,32,23,24,2T4111T14111T1411T14110T114110T11410T1410T1140T140 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)3/11/202214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)
10、(9)(7) 求解离散方程0 xy0 K0 K0 K1 K4 mm4 mm0 xy(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)2,43,44,42,33,34,32,23,24,2T4111T14111T1411T14110T114110T11410T1410T1140T140 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。3/11/202215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
11、、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。(8) 解收敛否3/11/202216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3/11/202217超大规模集成电路硅衬底抛光1、软件分类p 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。p 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
12、（求解器）结果输出及显示模块3/11/202218超大规模集成电路硅衬底抛光1、软件公司的发展uFluent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。3/11/202219超大规模集成电路硅衬底抛光2、 Fluent公司的软件品种uFLUENT 6n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。uFIDAPn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uPOLYFLOWn基于CFD的有限元法,适用于模拟高粘性
13、流动(如流变流体)和表面流动uMixSimn模拟混合过程的专业软件uIcepakn热管理和电子仪器散热分析的专业软件uAirpakn热管理和电子仪器散热分析的专业软件3/11/202220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uIcepak允许以下方式建模:n主体对象:如块(blocks),板(plates),风扇(fans),通风口(vents),阻尼(resistance)等。n宏:如IC封装, PCBs,辐射散热器, 详细风扇曲线。3/11/202221超大规模集成电路硅衬底抛光4、 Icepak的仿真能力p 稳态/瞬态问题p 层流/湍流模型p 强迫对流/自
14、然对流 /混合对流多流体问题p 内/外流分析p 耦合传热p 辐射p 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3/11/202222超大规模集成电路硅衬底抛光p 强大的网格生成:n连续非结构网格n结构网格n非连续非结构网格p 求解器特点:n参数化n并行处理n网格间插值nZoom-in建模p 其它功能:n灵活的单位定义n用户自定义封装库n从MCAD/ECAD文件导入ProE-Icepak界面n先进的后处理和生成报告的功能3/11/202223超大规模集成电路硅衬底抛光1、怎样启动IcepakuWindows:n点击桌面上的快捷键“Icepak4.3.10”n在开始菜单点击Pro
15、grams/Fluent.Inc/Icepak4.0uUNIX:n从系统命令行中输入“icepak”3/11/202224超大规模集成电路硅衬底抛光2、启动界面uIcepak启动后,自动弹出New/existing面板3/11/202225超大规模集成电路硅衬底抛光3、创建新工程u在New/Existing面板中点击New打开New project面板3/11/202226超大规模集成电路硅衬底抛光4、打开已有工程u在New/Existing面板中点击Existing打开Open project window面板3/11/202227超大规模集成电路硅衬底抛光5、Icepak的文件结构u每个I
16、cepak工程都是由包含路径的工程文件组成n工程名= 路径名u文件种类包括:n问题设置文件-JOB, MODEL和PROBLEM文件n网格文件n求解文件n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。3/11/202228超大规模集成电路硅衬底抛光6、压缩/解压工程u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*.tzrFilePack 进行压缩操作FileUnpack进行解压操作3/11/202229超大规模集成电路硅衬底抛光7、用户图形界面3/1
17、1/202230超大规模集成电路硅衬底抛光8、Icepak建模对象的简单介绍3/11/202231超大规模集成电路硅衬底抛光9、模型工具栏：创建对象3/11/202232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3/11/202233超大规模集成电路硅衬底抛光11、快捷工具栏3/11/202234超大规模集成电路硅衬底抛光12、模型树3/11/202235超大规模集成电路硅衬底抛光13、鼠标功能3/11/202236超大规模集成电路硅衬底抛光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-Extruded3/11/202237超大规模集成电路硅衬底抛光