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用Fluent对电子芯片散热仿真计算 step by step

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本文摘要(由AI生成):

本文主要介绍了如何使用Fluent软件对实际的传热问题进行仿真分析。首先,文章概述了电子元器件的可靠性与温度息息相关,因此散热问题通常是电子产品设计过程中需要首先考虑的情况。接着,文章详细讲解了一个芯片散热场景的仿真分析过程,包括问题概述、详细操作步骤等。其中,详细操作步骤包括导入初始网格文件、开启能量方程、修改材料属性、建立监测点、设定边界条件、设置求解方法、保存案例、初始化、计算仿真、后处理等。最后,文章还介绍了如何进行热辐射模型的设置和计算结果的对比。

电子元器件的可靠性与温度息息相关,因此,散热问题通常是电子产品设计过程中需要首先考虑的情况。本案例就从一个简单的芯片散热场景入手,为大家详细讲解如何使用Fluent软件对实际的传热问题进行仿真分析。

一、问题概述

  • 对安装在印刷电路板(PCB)上的电子元件(芯片)进行散热仿真分析,其中换热的模型包括热传导、自然对流和热辐射。

  • 连接在印刷电路板(PCB)上的电子元件(芯片)以75W的功率发热。

  • 该部件连接到一个由铜制成的散热翅片(Heatsink)上。

  • PCB板、芯片和散热器位于四周封闭的外壳中,但上方与下方是敞开的,气流可以随意的流入与流出。

  • 热部件产生的自然对流将空气源源不断的从底部吸入,并将热量带走,以防止部件过热而导致可靠性的降低。

  • 本次仿真将预测整个系统中所有组件可能达到的最高温度。

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图1 算例的三维几何模型(流体区域+固体区域)

二、详细操作步骤

1、将本算例的初始网格文件heatsink.msh拷贝至工作目录。打开Workbench软件,并将当前算例保存至工作目录。从左侧的工具箱中拖拽一个Fluent工作模块,并导入heatsink.msh。

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图2

2、打开Fluent软件,勾选双精度选项(Double Precision),建议使用并行计算(至少4核)。

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图3

3、更改单位,温度的单位在本算例中建议使用摄氏度C。

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图4

4、建立监测点,坐标为(0,0.15,0.05)。

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图5

5、开启能量方程,由于本例中的流动为层流,因此不需要对粘性选项做任何修改。

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图6

6、修改默认的材料属性,将Air的密度Density改为不可压缩的理想气体(Incompressible-Ideal-Gas)。由于本例中自然对流驱动的压力差值很小,因此压力对密度的影响可以忽略,仅认为密度与温度成正比即可。

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图7

7、新增固体区域材料铜(Copper),并拷贝到算例中。随后修改材料属性,并按照下图的数据进行输入

Name = FR-4 ; Density = 1250kg/m^3;

Cp = 1300 J/kg K; conductivity 0.35 W/m K

随后点击Change/Create,在随后弹出的对话框内选择NO,不覆盖铜的材料。

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图8

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图9

8、采用和7步骤中同样的方法创建另外一个材料

Name = component ; Density = 1900 kg/m^3;

Cp = 795 J/kg K; Thermal Conductivity = 10 W/m K

9、在Setting Up Physics标签中选择操作条件Operating Conditions,并修改重力Gravity和操作密度Operating Density。

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图10

10、在Cell Zone设置条件面板中,分别对三个固体区域赋予对应的材料属性boardFR-4, sourcecomponent, heatsinkcopper。需要注意的是,在指定芯片的属性时,还需要进行源项数据的指定,如图12所示。由于芯片的总发热功率为75W,总体积为0.11808x10^-3 m^3,因此单位体积上的发热功率为635000 W/m^3。

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图11

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图12

11、边界条件设定,在Setting Up Physics标签中选择边界条件Boundary Conditions,修改入口inlet的类型为压力入口pressure-inlet,并按照面板输入对应的数据(入口表总压为0Pa,温度为45C)

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图13

12、出口的属性设置为表静压0Pa,回流温度45C。其余的边界条件(如壁面wall等)保持默认设置即可。

13.按照图14与图15中所示的内容建立监测报告,首先监测点的温度;其次监测芯片的提平均温度。

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图14

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图15

14、如图16所示,设置求解方法solution Methods。包括压力速度的偶和方法Coupled,压力的差值格式Body Force Weighted,以及伪瞬态方法Pseudo Transient和高阶松弛选项High Order Term Relaxation

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图16

15、如图17所示,在残差监视器中Residuals monitor修改自动判定收敛的准则,将Y方向速度方程的残差改为1e-4,这样可以提高收敛精度。

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图17

16、保存案例,随后初始化,并计算仿真,时间步数设置为500。

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图18

17、计算收敛之后,进行仿真的后处理。在Postprocessing面板中,通过ISO surface的方法建立与X轴垂直的YZ平面,并将其命名为“x=0”。

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图19

18、可以根据用户自己的需求,进行计算结果的显示,包括云图contours和矢量图vector等,这些结果既可以显示在已有的表面上,也可以显示在新建的内部剖面(x=0)上。

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图20

19、退回到Workbench界面,复 制该Fluent模块,并分别为两个案例模块命名。随后点击新模块中的Solution选项,进行热辐射模型的设置。

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图21

20、在Setting Up Physics面板下选择热辐射模型Radiation,之后选择Surface to Surface (S2S)热辐射模型,并点击Compute/Write/Read计算视线因子。这个计算需要几分钟的时间,结束之后在工程文件中会保存一个专门的视线因子文件,以备后续使用。

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图22

21、当考虑热辐射模型时,边界条件的设定需要有相应的更新,主要包括壁面的内部发射率Internal Emissivity。由于S2S模型适用的范围不考虑流体的吸收,因此通常不需要对流体材料属性做任何更改。

在本例中,需要对wall_left,wall_right和wall_top中的内部发射率进行修改(数值为0.9),方法如图23所示。其他壁面边界的发射率按照以下数据进行更改:wall_heat_sink-shadow = 0.9,wall_board-shadow = 0.9,wall_heat_source = 0.3。当然,和固体区域相邻的壁面(如wall_board_bottom等)则不需要设定发射率。

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图23

22、进口与出口边界的发射率都设置成1,方法和wall边界的设定有一定区别,参见图24。

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图24

23、修改好边界条件后,即可进行初始化和仿真求解。

24、求解收敛后,回到Workbench界面,新拖入一个Result模块进行计算结果的对比,方法是将两个求解的结果Solution都拖拉一条线连接到Result模块上,如图25所示。

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图25

25.双击result进入到CFD Post界面,首先调整视角,并使用同步工具Synchronize,可以保证多个结果同时显示时,视线与角度完全一致。

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图26

26、左侧结构树中点击Case Comparison,并点击下方Apply。可以在多个算例间进行结果的比较。

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图27

27、点击location,并选择plane工具,新建x=0时的YZ平面,并命名为Plane 1。随后建立云图Contour,该云图的位置选择Plane 1,变量选择温度Temperature,点击Apply。此时可以显示不同工况下的剖面温度云图对比情况。

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图28

28、CFD Post中还可以进行定量数据的对比,如芯片上的最大温度。方法是在计算器Calculator中选择Function Calculator,并在下方的菜单栏中依次选择Maxval,solid_heatsource,All cases,Temperature。则可以得到两个工况最大温度的对比情况以及差值。

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图29

以上就是关于芯片散热问题的详细操作步骤。

作者:张杨,仿真秀专栏作者

声明:原创文章,首发仿真秀公 众号(ID:fangzhenxiu2018),部分图片源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

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首次发布时间:2019-08-14
最近编辑:2月前
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4年前
图片无法显示,有源文件可以参考学习就好了
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