ANSYS流体教学DEMO之电子器件散热仿真分析

ANSYS流体教学DEMO之电子器件散热仿真分析

1. 摘要随着集成技术和微电子封装级数的飞速发展，芯片的总功率密度不断增长，而芯片和电子设备的物理尺寸却逐渐趋于小型、微型化，所以产生的热量迅速积累，导致集成器件周围的热流密度也在增加。由此产生的高温环境必将会影响到芯片和设备的性能，这就需要更加高效的热控制方案。因此，芯片的散热问题已演变成为当前电子行业散热的一大焦点。

2. 仿真模型介绍本案例所模拟的是一块放置在基板上的简化芯片的自然对流换热问题，如图1所示。芯片尺寸为

20*20*2mm，基板尺寸为40*40*8mm，外流场尺寸为

120*120*210mm，基板与外流场底部的距离为50mm。图1 模型示意图

3. 前处理通过三维建模软件建立该模型，在ICEM CFD中划分网格，网格如图2所示。将电池上表面命名为CELL_UP，用于监测电池上表面温度；按照UP为上表面、DOWN为下表面、SIDE为四周面的方式命名外流场边界，如P_UP、P_DOWN、P_SIDE，二维示意图如图3所示。将ICEM CFD 划分完成的网格导出，存为ICEM.msh文件。图2 总体网格示意图图3 模型命名示意图

4. 求解设置4.1 启动Fluent双击Fluent，将Dimension修改为3D，如图4所示。

图4 Fluent 启动界面4.2 模型设置打开模型树中的【Model】→【Energy】选择On，保持【Viscous】为Laminar，其余保持默认，设置如图5所示。图5 Models设置

4.3 添加材料双击模型树中的【Materials】，双击air材料，将Density改为boussinesq，设置为1.165；将Thermal ExpansionCoefficient改为constant，设置为0.003，如图6所示。图6 材料添加

4.4 边界条件设置双击【BoundaryConditions】，编辑【Zone】中的Outlet下的三个边界，在下方的TYPE中选择为pressure-outlet，其余保持默认，单击OK，如图7所示。图7 边界条件设置

4.5 求解方法设置双击【Solution Methods】，修改为图8

所示。图8 求解方法设置

4.6 流场初始化双击【Initialization】，将默认的Hybrid Initialization改为Standard Initialization，在Compute from 对话框中选择all-zones，单击Initialize，如图9所示。图9 流场初始化

4.7 求解双击【Run Calculation】，单击Check Case，检查设置流程。如果有设置偏差，会出现相应的提示，图10为其中一种，并非本案例内容；若设置完全正确，会出现图11所示对话框。图10 需要修改的提示

图11 完全正确的提示设置Number of Iterations为500步，

单击Calculate，开始计算，如图12所示。图12 求解设置5. 后处理5.1 启动Results模块单击【File】→【Load Result】，读取Fluent计算结果，如图13所示。图13 读取Fluent计算结果

5.2 迭代残差收敛曲线迭代残差收敛曲线如下图所示。图14 迭代残差收敛曲线

5.3 创建参考面单击【Location】，选择【Plane】，将Method 改为ZX Plane，其余保持默认，单击Apply，完成参考面的创建，如图15所示。

图15 参考面创建

5.4 云图显示单击，创建云图，如图16所示。在Contour 1中设置Location为Plane 1，Variable为Temperature，Range为Local，单击Apply，结果如图17所示；或者修改Contour 1中Variable为Velocity，Range为Local，单击Apply，结果如图18所示。图16 云图创建图17 温度云图显示图18 速度云图显示

5.5 矢量图显示单击，在Locations中选择Plane 1，单击Apply，结果如图19所示。图19 速度矢量图