湍流模型下堆叠芯片温度场分析

1、    湍流模型下堆叠芯片温度场分析    李继生王婷黄战武摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或pcb板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度v较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。关键词： 堆叠芯片

2、； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流： tn710?34； tp311 ： a ： 1004?373x（2014）05?0134?030 引 言现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在pcb板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要1?3。目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献4采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片

3、尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献5采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件， 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。1 风扇散热基本原理风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低6?8。2

4、堆叠芯片与湍流空气模型的建立5 结 论本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。参考文献1 黄艳飞.基于热可靠性的pcb板电子元件优化布局方法研究d.镇江：江苏大学，2006.2 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用j.中国空间科学技术，2006（3）：64?67.3 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法j.安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.4 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研

5、究d.西安：西安电子科技大学，2009.5 余慧，吴昊.一种堆叠式3d ic的最小边界热分析方法j.电子学报，2012，40（5）：865?869.6 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究j.宇航学报，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 comp

6、uting 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 conferen

7、ce. burlingame， usa： ieee， 2002： 148?150.10 何瑜.flotherm在电子设备热分析的应用j.电子质量，2008（1）：128?130.11 谢德仁.电子设备热设计m.南京：东南大学出版社，1989.12 马良栋，张吉礼.不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究j.大连理工大学学报，2010，50（6）：48?50. 摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或pcb板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度v较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射

8、等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。关键词： 堆叠芯片； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流： tn710?34； tp311 ： a ： 1004?373x（2014）05?0134?030 引 言现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件

9、产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在pcb板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要1?3。目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献4采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献5采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件， 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆

10、叠芯片的散热提供了理论依据。1 风扇散热基本原理风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低6?8。2 堆叠芯片与湍流空气模型的建立5 结 论本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。参考文献1 黄艳飞.基于热可靠性的pcb板电子元件优化布局方法研究d.镇江：

11、江苏大学，2006.2 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用j.中国空间科学技术，2006（3）：64?67.3 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法j.安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.4 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研究d.西安：西安电子科技大学，2009.5 余慧，吴昊.一种堆叠式3d ic的最小边界热分析方法j.电子学报，2012，40（5）：865?869.6 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究j.宇航学报，2003，24（5）：543?546.7 haensch w. why should we do 3d i

12、ntegration 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

13、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在电子设备热分析的应用j.电子质量，2008（1）：128?130.11 谢德仁.电子设备热设计m.南京：东南大学出版社，1989.12 马良栋，张吉礼.不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究j.大连理工大学学报，2010，5

14、0（6）：48?50. 摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或pcb板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度v较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。关键词： 堆叠芯片； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流： tn710?34； tp31

15、1 ： a ： 1004?373x（2014）05?0134?030 引 言现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在pcb板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要1?3。目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献4采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献5采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件，

16、 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。1 风扇散热基本原理风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低6?8。2 堆叠芯片与湍流空气模型的建立5 结 论本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中

17、流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。参考文献1 黄艳飞.基于热可靠性的pcb板电子元件优化布局方法研究d.镇江：江苏大学，2006.2 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用j.中国空间科学技术，2006（3）：64?67.3 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法j.安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.4 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研究d.西安：西安电子科技大学，2009.5 余慧，吴昊.一种堆叠式3d ic

18、的最小边界热分析方法j.电子学报，2012，40（5）：865?869.6 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究j.宇航学报，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： i