面向三維高密度集成系統(tǒng)的多物理場耦合算法的研究與開發(fā).pdf

1、隨著社會的發(fā)展，汽車電子、航天工業(yè)、通訊、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代行業(yè)對功能更強(qiáng)、尺寸更小、集成度更高的便攜式電子產(chǎn)品的要求愈加強(qiáng)烈。單層芯片結(jié)構(gòu)，從DIP（雙列直插式）到MCM（多芯片），面積的利用率越來越高，適用頻率、可靠性也越來越高，更加方便耐用，但仍停留在二維平面結(jié)構(gòu)上，無法滿足現(xiàn)代行業(yè)的需求，因此更高密度的多層堆疊結(jié)構(gòu)被提出。由于溫度對芯片的影響，在單層芯片的二維結(jié)構(gòu)上，隨著功率密度的增大而增大，因此熱管理也變的更加重要。而堆疊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜

2、度和功率密度更高，溫度對結(jié)構(gòu)的影響也更大。因此，無論單芯片結(jié)構(gòu)還是多芯片結(jié)構(gòu)，對熱管理都非常必要，需要建立準(zhǔn)確、高效的三維傳熱模型。
　　本文主要工作有:
　　(1)以傅里葉熱傳導(dǎo)理論和熱對流理論為基礎(chǔ)，建立熱阻模型。通過將芯片結(jié)構(gòu)合理劃分為多個區(qū)域，計(jì)算各個區(qū)域熱阻，得到x、y和z的熱阻總和，進(jìn)而得到熱源區(qū)域最高溫度點(diǎn)的溫度值和邊界平均溫度。由于三維溫度的擴(kuò)算，類似于球壁導(dǎo)熱，故對于節(jié)點(diǎn)之間的溫度分布，采用球壁導(dǎo)熱的原理進(jìn)

3、行計(jì)算。最終建立了三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)理論模型，包括:熱源中心溫度模型、溫度分布模型和迭代計(jì)算法。基于三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)理論模型，得到單層芯片結(jié)構(gòu)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和多層芯片堆疊結(jié)構(gòu)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，并分別作出相應(yīng)的熱阻分析圖。對于對流熱阻的分析，創(chuàng)新性的采用迭代計(jì)算的方法，來計(jì)算對流熱阻對應(yīng)的對流系數(shù)。
　　(2)用ANSYS仿真驗(yàn)證三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的正確性，以三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型理論計(jì)算的參數(shù)作為ANSYS建模的參數(shù)，

4、將三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型理論計(jì)算中使用的功率和迭代得到的對流系數(shù)作為ANSYS計(jì)算模型的負(fù)載，并對二者的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果顯示在不同的生熱率和熱源尺寸下，熱源中心最高溫度點(diǎn)的溫度值與Ansys仿真結(jié)果誤差在10％以內(nèi)，顯示了三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。
　　(3)通過對專用熱阻測試芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與單層芯片結(jié)構(gòu)的三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型理論計(jì)算結(jié)果以及ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行對比，得到三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型與實(shí)驗(yàn)測試

5、的誤差和ANSYS仿真與實(shí)驗(yàn)測試的誤差都在10％以內(nèi)，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。
　　(4)為了提高工作效率，將計(jì)算機(jī)輔助分析應(yīng)用于堆疊結(jié)構(gòu)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型建模與仿真，開發(fā)了基于Windows平臺的熱分析軟件。該軟件以VC++為主要開發(fā)工具，具有界面友好、操作簡單、可移植性好，分析精度較高，對多層芯片堆疊結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)有一定的輔助作用。
　　本文建立的三維傳熱熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，可適用于單層和多層芯片結(jié)構(gòu)，能夠快