面向三维高密度集成系统的多物理场耦合算法的研究与开发.caj

面向三维高密度集成系统的多物理场耦合算法的研究与开发
作者 : 仝振阳
学位授予单位 : 东南大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 黄庆安
学位年度 : 2016
关键词 : 三维热阻网络模型；温度分布；单层芯片结构；多层芯片堆叠结构
摘要 : 随着社会的发展,汽车电子、航天工业、通讯、计算机等现代行业对功能更强、尺寸更小、集成度更高的便携式电子产品的要求愈加强烈。单层芯片结构,从DIP(双列直插式)到MCM(多芯片),面积的利用率越来越高,适用频率、可靠性也越来越高,更加方便耐用,但仍停留在二维平面结构上,无法满足现代行业的需求,因此更高密度的多层堆叠结构被提出。由于温度对芯片的影响,在单层芯片的二维结构上,随着功率密度的增大而增大,因此热管理也变的更加重要。而堆叠结构的复杂度和功率密度更高,温度对结构的影响也更大。因此,无论单芯片结构还是多芯片结构,对热管理都非常必要,需要建立准确、高效的三维传热模型。本文主要工作有：(1)以傅里叶热传导理论和热对流理论为基础,建立热阻模型。通过将芯片结构合理划分为多个区域,计算各个区域热阻,得到x、y和z的热阻总和,进而得到热源区域最高温度点的温度值和边界平均温度。由于三维温度的扩算,类似于球壁导热,故对于节点之间的温度分布,采用球壁导热的原理进行计算。最终建立了三维传热热阻网络模型的基础理论模型,包括：热源中心温度模型、温度分布模型和迭代计算法。基于三维传热热阻网络模型的基础理论模型,得到单层芯片结构热阻网络模型和多层芯片堆叠结构热阻网络模型,并分别作出相应的热阻分析图。对于对流热阻的分析,创新性的采用迭代计算的方法,来计算对流热阻对应的对流系数。(2)用ANSYS仿真验证三维传热热阻网络模型的正确性,以三维传热热阻网络模型理论计算的参数作为ANSYS建模的参数,将三维传热热阻网络模型理论计算中使用的功率和迭代得到的对流系数作为ANSYS计算模型的负载,并对二者的数据进行对比验证。结果显示在不同的生热率和热源尺寸下,热源中心最高温度点的温度值与Ansys仿真结果误差在10%以内,显示了三维传热热阻网络模型的准确性。(3)通过对专用热阻测试芯片进行实验测试,并将实验测试结果与单层芯片结构的三维传热热阻网络模型理论计算结果以及ANSYS仿真结果进行对比,得到三维传热热阻网络模型与实验测试的误差和ANSYS仿真与实验测试的误差都在10%以内,从实验的角度验证了三维传热热阻网络模型的准确性。(4)为了提高工作效率,将计算机辅助分析应用于堆叠结构的热阻网络模型建模与仿真,开发了基于Windows平台的热分析软件。该软件以VC++为主要开发工具,具有界面友好、操作简单、可移植性好,分析精度较高,对多层芯片堆叠结构的热设计有一定的辅助作用。本文建立的三维传热热阻网络模型,可适用于单层和多层芯片结构,能够快速、有效的获得相应的三维温度分布。通过ANSYS仿真软件和专用热阻测试芯片的实验测试对三维传热热阻网络模型进行了验证,证明了该热阻网络模型的正确性和有效性。在单层和多层堆叠芯片结构的设计中,该三维传热热阻网络模型对热设计有一定的参考价值。