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湍流模型下堆疊芯片溫度場分析

2014-03-12 18:53:49李繼生王婷黃戰(zhàn)武
現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年5期
關(guān)鍵詞:熱對流散熱

李繼生 王婷 黃戰(zhàn)武

摘 要: 風扇散熱的原理是較冷空氣流過芯片或PCB板時,通過熱對流方法吸收芯片發(fā)出的熱,變成較熱的空氣流出,從而達到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過,且速度[v]較大時,芯片的散熱方式主要是熱對流,而熱傳導、熱輻射等散熱方式可以忽略不計。通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 堆疊芯片; 勻速空氣流動; 熱分析; 散熱; 熱對流

中圖分類號: TN710?34; TP311 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展,隨著電子元器件的集成度越來越高,其發(fā)熱密度也越來越高,相應地電子產(chǎn)品的過熱問題也就越來越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計過程中不注重散熱的設(shè)計,元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制,最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來一定的影響,造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過程中,熱分布問題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問題,文獻[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡法,分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導熱系數(shù)及傳熱途徑等問題;文獻[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件, 分析了芯片的熱分布;但是,基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,并結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,從而得到空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風扇散熱基本原理

風扇發(fā)出較冷空氣(一般為外界溫度),進入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度,其熱量將通過熱傳導方式傳遞給流動空氣。流動空氣吸收熱量后,變成較熱空氣流出芯片間隙通道,發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2006.

[2] 王欣.熱源溫度場疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應用[J].中國空間科學技術(shù),2006(3):64?67.

[3] 汪仁和,李曉軍.凍結(jié)溫度場的疊加計算與計算機方法[J].安徽理工大學學報,2003,23(1):25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5] 余慧,吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學報,2012,40(5):865?869.

[6] 馬忠輝,孫秦,王小軍,等.熱防護系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學報,2003,24(5):543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 665?667.

[9] JOYNER J W, MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame, USA: IEEE, 2002: 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應用[J].電子質(zhì)量,2008(1):128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計[M].南京:東南大學出版社,1989.

[12] 馬良棟,張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學學報,2010,50(6):48?50.

摘 要: 風扇散熱的原理是較冷空氣流過芯片或PCB板時,通過熱對流方法吸收芯片發(fā)出的熱,變成較熱的空氣流出,從而達到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過,且速度[v]較大時,芯片的散熱方式主要是熱對流,而熱傳導、熱輻射等散熱方式可以忽略不計。通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 堆疊芯片; 勻速空氣流動; 熱分析; 散熱; 熱對流

中圖分類號: TN710?34; TP311 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展,隨著電子元器件的集成度越來越高,其發(fā)熱密度也越來越高,相應地電子產(chǎn)品的過熱問題也就越來越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計過程中不注重散熱的設(shè)計,元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制,最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來一定的影響,造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過程中,熱分布問題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問題,文獻[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡法,分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導熱系數(shù)及傳熱途徑等問題;文獻[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件, 分析了芯片的熱分布;但是,基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,并結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,從而得到空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風扇散熱基本原理

風扇發(fā)出較冷空氣(一般為外界溫度),進入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度,其熱量將通過熱傳導方式傳遞給流動空氣。流動空氣吸收熱量后,變成較熱空氣流出芯片間隙通道,發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2006.

[2] 王欣.熱源溫度場疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應用[J].中國空間科學技術(shù),2006(3):64?67.

[3] 汪仁和,李曉軍.凍結(jié)溫度場的疊加計算與計算機方法[J].安徽理工大學學報,2003,23(1):25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5] 余慧,吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學報,2012,40(5):865?869.

[6] 馬忠輝,孫秦,王小軍,等.熱防護系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學報,2003,24(5):543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 665?667.

[9] JOYNER J W, MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame, USA: IEEE, 2002: 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應用[J].電子質(zhì)量,2008(1):128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計[M].南京:東南大學出版社,1989.

[12] 馬良棟,張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學學報,2010,50(6):48?50.

摘 要: 風扇散熱的原理是較冷空氣流過芯片或PCB板時,通過熱對流方法吸收芯片發(fā)出的熱,變成較熱的空氣流出,從而達到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過,且速度[v]較大時,芯片的散熱方式主要是熱對流,而熱傳導、熱輻射等散熱方式可以忽略不計。通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞: 堆疊芯片; 勻速空氣流動; 熱分析; 散熱; 熱對流

中圖分類號: TN710?34; TP311 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢發(fā)展,隨著電子元器件的集成度越來越高,其發(fā)熱密度也越來越高,相應地電子產(chǎn)品的過熱問題也就越來越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計過程中不注重散熱的設(shè)計,元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制,最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來一定的影響,造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過程中,熱分布問題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問題,文獻[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡法,分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導熱系數(shù)及傳熱途徑等問題;文獻[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件, 分析了芯片的熱分布;但是,基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,并結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,從而得到空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風扇散熱基本原理

風扇發(fā)出較冷空氣(一般為外界溫度),進入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度,其熱量將通過熱傳導方式傳遞給流動空氣。流動空氣吸收熱量后,變成較熱空氣流出芯片間隙通道,發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過模擬勻速流動的空氣在堆疊芯片中流過的情景,建立了堆疊芯片和勻速流動空氣的模型,結(jié)合熱力學理論,分析了空氣流動時板的吸熱和溫度變化情況,得到了空氣勻速流過時堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論,為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2006.

[2] 王欣.熱源溫度場疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應用[J].中國空間科學技術(shù),2006(3):64?67.

[3] 汪仁和,李曉軍.凍結(jié)溫度場的疊加計算與計算機方法[J].安徽理工大學學報,2003,23(1):25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5] 余慧,吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學報,2012,40(5):865?869.

[6] 馬忠輝,孫秦,王小軍,等.熱防護系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學報,2003,24(5):543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim, USA: ACM/IEEE, 2008: 665?667.

[9] JOYNER J W, MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame, USA: IEEE, 2002: 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應用[J].電子質(zhì)量,2008(1):128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計[M].南京:東南大學出版社,1989.

[12] 馬良棟,張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學學報,2010,50(6):48?50.

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