Icepak高级建模教程
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– 自由电子的移动 – 晶格振动(lattice vibration)• 对流是发来自在有温差的表面和运动流体之间的传热
传热的方式
• 对流可以是:
– 自然对流 – 强迫对流
• 辐射是发生在两种没有直接接触的表面的传热:
– 能量以电磁波的形式发射出去 – 所有高于0 K的物体都有热辐射 – 几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100 micron) – 能量传递率取决于表面条件(发射率)及物体间的位置分布
Introduction
热管理
• 电子线路板产生的热与其效率成反比 • 没有转换成有用的电磁功率的功率以热的形式散失到周围
的环境
• 热耗包括:
– 焦耳热(I2R) – (电源)Power supply
• 半导体设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性
热管理
• 实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起 的: – TCE不匹配引起的热应力 Stresses due to TCE mismatch – 腐蚀 Corrosion – 电子移动 Electro-migration – 氧化物分解 Oxide breakdown – 电流泄漏 Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices) – 电性能下降 Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
冷却方法
• 微通道冷却是一种用于处理在热耗元件上紧密排列的微小 翅片的散热的方法
– 冷却剂可以是液体也可以是流体
• 热电冷却器是一种固体的热泵,没有移动的部分或是工作流 体
– 利用Peltier效应把热量从由一个地方传递到时另一个地方
• 热管是一种被使用被动的方法把热量从一个地方传递到另 一个地方的装置
Fluorocarbons IFmlomreorcsairobno-nBsoiling
0.01
0.1
1
10
Surface Heat Flux (W/cm2)
传热的方式
• 三种传热方式:
– 传导 – 对流 – 辐射
• 传导是两种直接接触的介质(固体,流体或气体)之间的传热 • 在热传导中,能量用以下方式传递:
冷却方法
• 冷却方法的种类:
– 自然对流空气散热 – 强迫对流空气散热 – 浸润冷却 – 沸腾冷却 – 热管 – 冷管 – 热电冷却 – 微通道冷却 – 微喷射冷却
• 自然对流空气散热主要用于低功耗
– 这是最简单最便宜的冷却方法
冷却方法
• 强迫对流空气散热主要用于相对较大的功耗
– 要求有风扇,离心机等来强迫空气流动
1125
Logic ICs - MSI
250
2250
Logic ICs - LSI
500
4500
Source: C.A. Harper, Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics
热管理
电子失效的主要因素
Temperature Vibration Humidity Dust
简单纲要
练习: 1. 精细网格 Mesh Refinement 2. ACE-DELPHI 比较 ACE-DELPHI Comparison 3. PBGA建模 Modeling PBGA 4. 散热器建模 Heat Sink Modeling 5. 选择散热器 Selecting Heat Sink 6. 扩展阻尼 Spreading Resistance 7. 辐射的影响 Effect of Radiation 8. 密封系统 Sealed Systems 9. TEC建模 Modeling TEC 10. 选择挡板 I Selecting Baffles I 11. 选择挡板 II Selecting Baffles II 12. 数据中心建模 Modeling Data Center
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
A, T1
A, T2 Q=-k.A.ΔT/ΔX
or,
Q=ΔT/R
ΔX
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
Q = 传递的热量 T = 温度 A = 横截面积 k = 板的热传导率 ΔX = 板的厚度 R = ΔX/(kA) = 热传导阻尼 假设板只沿一个方向传导
Advanced Thermal Modeling
简单纲要
1. 简介 Introduction 2. CFD 基础 CFD Basics 3. PCBs Printed Circuit Boards 4. IC封装 IC Packages 5. 散热器 Heat Sinks 6. 接触阻尼 Interface Resistance 7. 风扇，叶轮，离心风机 Fans, Impellers and Blowers 8. 高度的影响 Altitude Effects 9. 流动阻尼 Flow Resistances 10. 辐射 Radiation 11. 热管 Heat Pipes 12. 焦耳热 Joule Heating 13. 热电冷却 Thermoelectric Coolers 14. 冷板 Cold Plates 15. 变压器 Transformers 16. 气流挡板 Flow Baffles 17. 外部冷却器/加热器 External Coolers/Heaters
– Moving towards system-on-chip technology
• 封装的功耗越来越大 • 节点(junction)工作温度保持不变
– 日用和手持设备55 C – 汽车系统125C
• Budget per watt of heat removal is decreasing
封装的趋势
20-200 200-2000 250-2500 1000-10000
Thermal Resistance, R (C/W)
5000-400 500-50 400-40 100-10
500-50 50-5 40-4 10-1
对流: 影响h的因素
• 热传递系数, h, 取决于许多因素:
– 湍流的h比层流的热传递系数大 – 一般,强迫对流的h比自然对流的大 – 液体的h比气体的大 – 粗糙表面的h比光滑表面的大(取决于流动的湍流度) – 不完全发展的流动的h比完全发展流动的大 – 非稳态的h比稳态的大
CFD 基础
什么是 CFD?
• 计算流体动力学(CFD)是一种求解数学方程组来预测流体流 动,热交换,质量交换,化学反应及相关现象的科学
• 浸润冷却是把元件浸润在惰性绝缘流体中(如弗里昂),用于 冷却大的热载荷, – 这种冷却的典型应用包括大型主机,超级计算机,大功率交换器 等. • 沸腾冷却靠一种沸腾流体吸收热量,主要用于大功率
• 冷板是一个金属块,由强迫对流的液体冷却,电路板或组件就 安装在冷板上 – 用于军用设备和大功率电子器件
对流: 典型值
h 和 R 的典型值
Natural Convection Air
Oils
Fluorinerts
Water
Forced Convection Air
Oils
Fluorinets
Water
Heat Transfer Coeff., h, (W/m2-C)
2-25 20-200 25-250 100-1000
热管理
• 电子封装的失效率与热成正比，而且与封装的
最高温度成指数增长
• 失效率可以表示为:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常数 E = 电子激活能量(eV) K = 波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K) T = 节点(junction)温度 (以K为单位)
热管理
10
200
20 30
390 730
失效率随着温度的升高而变大
40 1310 (from a base temperature of 50 C)
50
2280
60
3860
Increase in Failure, %
2500
2000
1500
1000
500
0
10
20
30
40
50
Temperature Rise, C
热管理
封装温度对失效的影响
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
T2
A
A
k1 k2 k3
L1 L2 L3
Q = (T2 - T1)/R
R = R1 + R2 + R3 R1 = L1/(A.k1) R2 = L2/(A.k2) R3 = L3/(A.k3)
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
A3
k1
A2
k2
A1
封装功耗发展趋势(Watts)
Market Application Year 1998-2000 Year 2001-2003 Year 2004-2006
Commodity
1
1
1
Hand-Held
2
2
2
Cost/Performance
18
22
28
High Performance
100
120
140
Harsh
k3
L
T2
Q = (T2 - T1)/R
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 R1 = L/(A1.k1) R2 = L/(A2.k2) R3 = L/(A3.k3)
对流
• 对流可能是自然对流或是强迫对流 • 自然对流是由于流体内部的温度差异引起的密度不同产生 • 强迫对流则是由于外部方式(如风扇,离心机,泵等)造成的气
Source: U.S. Airforce Avionics Integrity Program (Reynell, M., 1990)
IC封装的趋势
• 封装越来越薄 • 引线Lead的数目越来越多 • 减少封装的覆盖面积(footprint)以接近芯片的大小 • Package pin pitch is decreasing • 时钟速度越来越大 • IC芯片的功能越来越复杂
流.
• 流动还可以分为内流和外流 • 内流是发生在一定的空间内，如管道等 • 外流是全部或部分不在空间内的气流
对流
外流 内流
对流
• 流动还可以分为
– 层流或 – 湍流
• 层流是一种高度规则的流动，流体微粒沿确定的
轨迹移动
• 湍流是一种高度不规则，随机的三维流动
– 具有强烈的混合和更大的热交换 – 大多数的真实流动都是湍流
0.01
0.01
0.1
1
10
Module Heat Flux (W/cm2)
冷却示意图
Temperature Difference (C)
0.65
1
1000
Cooling Technologies
100 10 1
AirFNoractIuemdrmaAleiCrrsoCinoovnneNvcWteaCicaottoutnieonrr+anvlFeRcCoatroidocnienavdteicotnion
(每百万个元件工作1000hr失效的数目)
Component
Temperature = 25C Temperature = 75C
Thick film resistor
5
15
Chip capacitor
10
25
Power transistor
50
300
Diode
1
9
Logic ICs - SSI
125
3
3
3
Environment
Source: Sandia National Laboratories
日用: 低投入 (<$300) 手持: 电池供电(<$1000) 成本/性能: 有限成本下的最优性能 (<$300) (笔记本等) 高效性能: 性能作为第一位考虑因素(Servers, Avionics, etc.) 苛刻环境: 汽车, 军用等.
– 在一端流体蒸发把热量吸走,在另一端压缩流体把热量释放出来
冷却示意图
Maximum Chip Power (W)
0.65
1
Cooling Technology Roadmap
10
Liquid Cooling
1 Advanced Forced Air
Moderate
0.1
Forced Air
Natural Convection
• 非常靠近表面(物体的表面)的流动往往是层流
– 这种区域一般处于边界层内
对流
层流 湍流
对流: 牛顿冷却定律
流动(温度 = Tf)
A, h, Tw
Q = h.A.(Tw-Tf) = ΔT/R
Q = 小块传递到时空气中的总热量 h = 平均热传递系数 A = 小块面积 Tw = 贴片平均温度 Tf = 小块周围流体平均温度 R = 热阻 =1/(hA)
传热的方式
• 对流可以是:
– 自然对流 – 强迫对流
• 辐射是发生在两种没有直接接触的表面的传热:
– 能量以电磁波的形式发射出去 – 所有高于0 K的物体都有热辐射 – 几乎所有热辐射发生在红外波长范围(0.1 to 100 micron) – 能量传递率取决于表面条件(发射率)及物体间的位置分布
Introduction
热管理
• 电子线路板产生的热与其效率成反比 • 没有转换成有用的电磁功率的功率以热的形式散失到周围
的环境
• 热耗包括:
– 焦耳热(I2R) – (电源)Power supply
• 半导体设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性
热管理
• 实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起 的: – TCE不匹配引起的热应力 Stresses due to TCE mismatch – 腐蚀 Corrosion – 电子移动 Electro-migration – 氧化物分解 Oxide breakdown – 电流泄漏 Current leakage (which doubles with every 10 c in active devices) – 电性能下降 Degradation in electrical performance (due to change in device parameters)
冷却方法
• 微通道冷却是一种用于处理在热耗元件上紧密排列的微小 翅片的散热的方法
– 冷却剂可以是液体也可以是流体
• 热电冷却器是一种固体的热泵,没有移动的部分或是工作流 体
– 利用Peltier效应把热量从由一个地方传递到时另一个地方
• 热管是一种被使用被动的方法把热量从一个地方传递到另 一个地方的装置
Fluorocarbons IFmlomreorcsairobno-nBsoiling
0.01
0.1
1
10
Surface Heat Flux (W/cm2)
传热的方式
• 三种传热方式:
– 传导 – 对流 – 辐射
• 传导是两种直接接触的介质(固体,流体或气体)之间的传热 • 在热传导中,能量用以下方式传递:
冷却方法
• 冷却方法的种类:
– 自然对流空气散热 – 强迫对流空气散热 – 浸润冷却 – 沸腾冷却 – 热管 – 冷管 – 热电冷却 – 微通道冷却 – 微喷射冷却
• 自然对流空气散热主要用于低功耗
– 这是最简单最便宜的冷却方法
冷却方法
• 强迫对流空气散热主要用于相对较大的功耗
– 要求有风扇,离心机等来强迫空气流动
1125
Logic ICs - MSI
250
2250
Logic ICs - LSI
500
4500
Source: C.A. Harper, Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics
热管理
电子失效的主要因素
Temperature Vibration Humidity Dust
简单纲要
练习: 1. 精细网格 Mesh Refinement 2. ACE-DELPHI 比较 ACE-DELPHI Comparison 3. PBGA建模 Modeling PBGA 4. 散热器建模 Heat Sink Modeling 5. 选择散热器 Selecting Heat Sink 6. 扩展阻尼 Spreading Resistance 7. 辐射的影响 Effect of Radiation 8. 密封系统 Sealed Systems 9. TEC建模 Modeling TEC 10. 选择挡板 I Selecting Baffles I 11. 选择挡板 II Selecting Baffles II 12. 数据中心建模 Modeling Data Center
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
A, T1
A, T2 Q=-k.A.ΔT/ΔX
or,
Q=ΔT/R
ΔX
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
Q = 传递的热量 T = 温度 A = 横截面积 k = 板的热传导率 ΔX = 板的厚度 R = ΔX/(kA) = 热传导阻尼 假设板只沿一个方向传导
Advanced Thermal Modeling
简单纲要
1. 简介 Introduction 2. CFD 基础 CFD Basics 3. PCBs Printed Circuit Boards 4. IC封装 IC Packages 5. 散热器 Heat Sinks 6. 接触阻尼 Interface Resistance 7. 风扇，叶轮，离心风机 Fans, Impellers and Blowers 8. 高度的影响 Altitude Effects 9. 流动阻尼 Flow Resistances 10. 辐射 Radiation 11. 热管 Heat Pipes 12. 焦耳热 Joule Heating 13. 热电冷却 Thermoelectric Coolers 14. 冷板 Cold Plates 15. 变压器 Transformers 16. 气流挡板 Flow Baffles 17. 外部冷却器/加热器 External Coolers/Heaters
– Moving towards system-on-chip technology
• 封装的功耗越来越大 • 节点(junction)工作温度保持不变
– 日用和手持设备55 C – 汽车系统125C
• Budget per watt of heat removal is decreasing
封装的趋势
20-200 200-2000 250-2500 1000-10000
Thermal Resistance, R (C/W)
5000-400 500-50 400-40 100-10
500-50 50-5 40-4 10-1
对流: 影响h的因素
• 热传递系数, h, 取决于许多因素:
– 湍流的h比层流的热传递系数大 – 一般,强迫对流的h比自然对流的大 – 液体的h比气体的大 – 粗糙表面的h比光滑表面的大(取决于流动的湍流度) – 不完全发展的流动的h比完全发展流动的大 – 非稳态的h比稳态的大
CFD 基础
什么是 CFD?
• 计算流体动力学(CFD)是一种求解数学方程组来预测流体流 动,热交换,质量交换,化学反应及相关现象的科学
• 浸润冷却是把元件浸润在惰性绝缘流体中(如弗里昂),用于 冷却大的热载荷, – 这种冷却的典型应用包括大型主机,超级计算机,大功率交换器 等. • 沸腾冷却靠一种沸腾流体吸收热量,主要用于大功率
• 冷板是一个金属块,由强迫对流的液体冷却,电路板或组件就 安装在冷板上 – 用于军用设备和大功率电子器件
对流: 典型值
h 和 R 的典型值
Natural Convection Air
Oils
Fluorinerts
Water
Forced Convection Air
Oils
Fluorinets
Water
Heat Transfer Coeff., h, (W/m2-C)
2-25 20-200 25-250 100-1000
热管理
• 电子封装的失效率与热成正比，而且与封装的
最高温度成指数增长
• 失效率可以表示为:
F = Ae-E/KT
F =失效率, A=常数 E = 电子激活能量(eV) K = 波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K) T = 节点(junction)温度 (以K为单位)
热管理
10
200
20 30
390 730
失效率随着温度的升高而变大
40 1310 (from a base temperature of 50 C)
50
2280
60
3860
Increase in Failure, %
2500
2000
1500
1000
500
0
10
20
30
40
50
Temperature Rise, C
热管理
封装温度对失效的影响
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
T2
A
A
k1 k2 k3
L1 L2 L3
Q = (T2 - T1)/R
R = R1 + R2 + R3 R1 = L1/(A.k1) R2 = L2/(A.k2) R3 = L3/(A.k3)
热传导
热传导付立叶定律:
(一维热传导)
T1
A3
k1
A2
k2
A1
封装功耗发展趋势(Watts)
Market Application Year 1998-2000 Year 2001-2003 Year 2004-2006
Commodity
1
1
1
Hand-Held
2
2
2
Cost/Performance
18
22
28
High Performance
100
120
140
Harsh
k3
L
T2
Q = (T2 - T1)/R
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 R1 = L/(A1.k1) R2 = L/(A2.k2) R3 = L/(A3.k3)
对流
• 对流可能是自然对流或是强迫对流 • 自然对流是由于流体内部的温度差异引起的密度不同产生 • 强迫对流则是由于外部方式(如风扇,离心机,泵等)造成的气
Source: U.S. Airforce Avionics Integrity Program (Reynell, M., 1990)
IC封装的趋势
• 封装越来越薄 • 引线Lead的数目越来越多 • 减少封装的覆盖面积(footprint)以接近芯片的大小 • Package pin pitch is decreasing • 时钟速度越来越大 • IC芯片的功能越来越复杂
流.
• 流动还可以分为内流和外流 • 内流是发生在一定的空间内，如管道等 • 外流是全部或部分不在空间内的气流
对流
外流 内流
对流
• 流动还可以分为
– 层流或 – 湍流
• 层流是一种高度规则的流动，流体微粒沿确定的
轨迹移动
• 湍流是一种高度不规则，随机的三维流动
– 具有强烈的混合和更大的热交换 – 大多数的真实流动都是湍流
0.01
0.01
0.1
1
10
Module Heat Flux (W/cm2)
冷却示意图
Temperature Difference (C)
0.65
1
1000
Cooling Technologies
100 10 1
AirFNoractIuemdrmaAleiCrrsoCinoovnneNvcWteaCicaottoutnieonrr+anvlFeRcCoatroidocnienavdteicotnion
(每百万个元件工作1000hr失效的数目)
Component
Temperature = 25C Temperature = 75C
Thick film resistor
5
15
Chip capacitor
10
25
Power transistor
50
300
Diode
1
9
Logic ICs - SSI
125
3
3
3
Environment
Source: Sandia National Laboratories
日用: 低投入 (<$300) 手持: 电池供电(<$1000) 成本/性能: 有限成本下的最优性能 (<$300) (笔记本等) 高效性能: 性能作为第一位考虑因素(Servers, Avionics, etc.) 苛刻环境: 汽车, 军用等.
– 在一端流体蒸发把热量吸走,在另一端压缩流体把热量释放出来
冷却示意图
Maximum Chip Power (W)
0.65
1
Cooling Technology Roadmap
10
Liquid Cooling
1 Advanced Forced Air
Moderate
0.1
Forced Air
Natural Convection
• 非常靠近表面(物体的表面)的流动往往是层流
– 这种区域一般处于边界层内
对流
层流 湍流
对流: 牛顿冷却定律
流动(温度 = Tf)
A, h, Tw
Q = h.A.(Tw-Tf) = ΔT/R
Q = 小块传递到时空气中的总热量 h = 平均热传递系数 A = 小块面积 Tw = 贴片平均温度 Tf = 小块周围流体平均温度 R = 热阻 =1/(hA)