基于ANSYS的电路板组件热仿真及试验验证研究

三．MCM温度场稳态分析多芯片组件加散热器（热沉）的冷却分析图1(a) 、图1(b) 所示分别为大功率球栅阵列MCM的截面图和俯视图，五个芯片采用倒装焊方式置于有机基板上，为了增加模块的散热能力，在芯片背面上加一热扩展面。

表1所示为各材料的物理属性。

周围的环境温度设为250 o C，其中大芯片的功率为25W，热流密度为60×106W/m3；周围四个小芯片的功率为10W，热流密度为61.54×106W/m3；对流换热系数为10W/(m·K)。

MCM结构参数和材料属性模型组件材料尺寸(mm）导热系数(W/(m﹒k)）芯片硅8*8*0.65,5*5*0.65 82芯片凸点5Sn/98Pb 10*10*,6*6,Ø0.3,Height:0.2,Pitch:0.7536 基板聚酰亚胺40*40*1.5 0.2焊料球96.5Sn3.5Ag 26*26,Ø0.6, Height:0.4,Pitch:1.2750PCB FR4 100*100*1.5 8.37,8.37,0.32 热介质材料导热脂Thick:0.15 1粘接剂粘接剂Thick:0.15 1.1热扩展面铜40*40*1.5 390热沉铝Base:46.5*45.6*1.5,Pin number:16,Pinheight:8240分析从而导致器件性能变化和可靠性的下降。

热场分析和设计是MCM设计中一个重要的环节[3]。

MCM器件中的热应力来自两个方面，即来自MCM模块内部和MCM模块所处的外部环境所形成的热应力，这些热应力都会影响到器件的电性能、工作频率、机械强度和可靠性。

随着MCM集成度的提高和体积的缩小,尤其是对于集成了大功率芯片的MCM ,其内部具有多个热源，热源之间的热耦合作用较强，单位体积内的功耗很大，由此带来的芯片热失效和热退化现象突出。

有资料表明,器件的工作温度每升高10o C，其失效率增加1倍[4]。

实 验 技 术 与 管 理 第38卷 第5期 2021年5月Experimental Technology and Management Vol.38 No.5 May 2021收稿日期: 2020-07-02作者简介: 房紫璐（1995—），女，江苏常州，硕士研究生，主要研究方向为电磁场与微波技术，fangzilu@ 。

通信作者: 李玉玲（1973—），女，内蒙古巴彦淖尔，博士，副教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术应用及电工理论与新技术的教学和研究，liyl@ 。

引文格式: 房紫璐，龚直，李玉玲，等. 基于ANSYS 的电磁感应加热系统仿真与实验[J]. 实验技术与管理, 2021, 38(5): 129-133.Cite this article: FANG Z L, GONG Z, LI Y L, et al. Simulation and experiment of electromagnetic induction heating system based on ANSYS[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(5): 129-133. (in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/TDOI: 10.16791/ki.sjg.2021.05.026虚拟仿真技术基于ANSYS 的电磁感应加热系统仿真与实验房紫璐，龚 直，李玉玲，姚缨英（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）摘 要：将电子工程专业基础课“工程电磁场”中的电磁感应定律和涡流理论与实际应用相结合，提出了基于电磁炉加热系统的仿真实验方案。

方案采用ANSYS 有限元仿真软件对电磁感应加热系统进行建模仿真，并分析典型系统参数对加热系统耦合的影响。

计算得到的涡流矢量图与欧姆损耗密度云图能够帮助学生更好地理解感应加热原理。

实验方案将理论分析、数值仿真和实验测量三者相结合，能够帮助学生更好地构建该课程系统全面的思维框架。

图 ２ ＩＧＢＴ的内部结构
作 者 简 介 ：孟 昭 亮 （１９８７ 入 式 及 电 力 电子 功 率 集 成 。 － ４６－
点 ［】１。对 于 集 成 式 的 功 率 模 块 来 说 ，工作 时其 内 部 的 芯 片 损 耗
功 率 ，相 当 于 热 源 ，热 量 经 过 焊 层 、衬 板 、基 板 等 ，经 由散 热 器 散 热［２１。随 着 功 率 器 件 的 高 频 化 。其 内部 芯 片 损耗 的 功 率 也 随 之 越 来 越 高 ，这 就 造 成 模 块 的结 温 增 大 ，当 结 温 超 过 一 定 值 时 ，ＩＧＢＴ模 块 的 工 作 可 靠 性 就 将 大 大 降 低 。
第 ２４卷 第 ６期
Ｖｏｌ＿２４ Ｎｏ．６
电子 设计 工程
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉ
２０１６年 ３月
Ｍａｒ．２０１６
基于 ＡＮＳＹＳ的 １７００Ｖ一３６００Ａ ＩＧＢＴ模 块热性能仿真
孟 昭 亮 ．一，韩 立 业 ，孙 浩
（１．西安 工 程 大 学 电子 信 息 学 院 ，陕 西 西 安 ７１００４８；２．西 安 理 工 大 学 自动 化 与信 息 工程 学 院 ，陕 西 西 安 ７１００４８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ １７００Ｖ／３６００Ａ ＩＧＢＴ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔ．ａｎ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａ ｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ０ｆ ＩＧＢＴ．ｔ ｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｗｏｒｋｓ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｂｙ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａ ｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ．Ａｎａ ｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈｅ ｍ￣ ｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ＩＧＢＴ．Ｖｅｒｉｆｙ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔ ｈｅ ＩＧＢＴ ｉｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ａｆｔｅｒ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｗｏｒｋ． ＫｅＹ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；ＩＧＢＴ；ｌｏｓｓ；ｍｏｄｌｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过热仿真技术，对某一特定设备进行热分析，验证热仿真设计方法的有效性，并优化设备的热设计，提高设备的热性能。

二、实验背景随着科技的发展，电子设备在体积越来越小的同时，其功能越来越强大，功耗也越来越高。

如何有效地控制设备的热量，保证设备在高温环境下稳定工作，已成为电子设备设计的重要课题。

热仿真技术作为一种有效的热分析手段，可以帮助设计师在产品研发阶段预测和优化设备的热性能。

三、实验材料1. 软件环境：Ansys Fluent、ANSYS Icepak2. 设备模型：某电子设备模型3. 计算机硬件：高性能计算服务器4. 其他材料：温度传感器、热电偶等四、实验方法1. 建立设备模型：使用CAD软件建立设备的几何模型，导入到热仿真软件中。

2. 设置边界条件：根据实际情况，设置模型的边界条件，如环境温度、散热器温度等。

3. 定义材料属性：根据设备材料，定义相应的热物理参数，如导热系数、比热容等。

4. 网格划分：对模型进行网格划分，以满足计算精度和计算效率的要求。

5. 设置求解器和求解参数：选择合适的求解器，设置求解参数，如时间步长、迭代次数等。

6. 运行仿真：启动仿真计算，分析设备内部温度场分布。

7. 结果分析：对仿真结果进行分析，评估设备的热性能，提出优化建议。

五、实验过程1. 建立设备模型：根据实际设备尺寸，使用CAD软件建立几何模型，并导入到ANSYS Icepak软件中。

2. 设置边界条件：根据设备工作环境，设置环境温度为25℃，散热器温度为50℃。

3. 定义材料属性：根据设备材料，定义导热系数、比热容等热物理参数。

4. 网格划分：对模型进行网格划分，采用四面体网格，保证计算精度和计算效率。

5. 设置求解器和求解参数：选择稳态传热求解器，设置时间步长为0.01s，迭代次数为1000次。

6. 运行仿真：启动仿真计算，分析设备内部温度场分布。

7. 结果分析：对仿真结果进行分析，发现设备内部存在热点，温度超过设计要求。