半导体照明散热设计与分析教材.ppt

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1、半导体照明散热设计与分析(实验部分)天津工业大学主讲人：张建新4D4088/31/20211超大规模集成电路硅衬底抛光实验课程概况项目1：实验平台的基本原理与功能操作项目2：翅片散热器的设计与分析实验项目3：热辐射块和板的设计与分析实验项目4：热分布的瞬态分析实验项目5：LED投光灯的散热设计与分析实验8/31/20212超大规模集成电路硅衬底抛光本次实验的主要内容项目1：实验平台的基本原理与功能操作一、计算流体力学（CFD）概述二、CFD数值模拟的总体工作步骤三、CFD求解过程四、常用的商用热分析软件五、Icepak软件简介六、Icepak软件的基本操作七、单

2、颗LED模块散热仿真的操作演示8/31/20213超大规模集成电路硅衬底抛光一、计算流体力学（CFD）概述1、CFD定义：通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所做的分析。2、CFD的应用：单纯流体的场域计算空气水体流体参与传热的场域计算散热（环境级、系统级、电路板级、元件级）8/31/20214超大规模集成电路硅衬底抛光8/31/20215超大规模集成电路硅衬底抛光3、CFD的基本思想把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场（如：速度场、温度场、压力场等），用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起

3、关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。散热过程的CFD方法，实质上就是：散热CFD=流体力学+传热学+数值分析8/31/20216超大规模集成电路硅衬底抛光8/31/20217超大规模集成电路硅衬底抛光4、热分析的基本方法及其对比主要优点主要缺点作用传统的理论分析法1.计算结果具有普遍性；1.对计算对象进行抽象和简化后，才能得到理论平均解，带有较大误差；提供研究的理论基础2.影响因素清晰可见。2.对非线性情况，很少能得到解析解。实验测量法结果的真实可信度较高。1.受模型尺寸、流场扰动、人身安全、测量精度等外界因素的限制

4、，内部结构难以测量；验证由其它方法分析得到的结果真实性2.实验成本高，周期长。CFD数值分析法1.克服了前面两个方法的缺点；1.需要将众多影响因素抽象成适合计算的物理模型和数学模型；提高热分析效率，展现场域数据的分布2.能快速得到不同情况下的温度场的分布数据。2.对研究者的理论基础和数值分析能力的要求较高。构成了热分析的完整体系8/31/20218超大规模集成电路硅衬底抛光二、CFD数值模拟的总体工作步骤1、建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型：(CFD方法解决问题的出发点)2、寻求高效率、高准确度的计算方法：(CFD方法的核心)3、编制功能程序和进行计算：

5、(花费时间最多)4、显示计算结果：(检查和分析模拟质量)微分方程定解条件初始条件边界条件微分方程的离散和求解方法边界条件的处理（离散化）有限差分法有限元法有限容积(体积)法如：Icepak计算网格的划分输入初始条件和边界条件设定控制参数场域分布图场域点数据分布表8/31/20219超大规模集成电路硅衬底抛光三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1)建立控制方程0xy0K0K0K1K4mm4m

6、m①能量守恒方程：（包含三维、源项、时间项）②质量守恒方程：（包含三维、时间项）③质量守恒的能量守恒方程：（二维、无时间项、无源项）8/31/202110超大规模集成电路硅衬底抛光计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(2)确立初始条件及边界条件0xy0K0K0K1K4mm4mm①初始条件：因无时间项，所以可不设定初始条件。②边界条件：(3)划分计算网格，生成计算节点①划分网格：采用“差分格式”离散成均匀网格，

7、网格步长=1mm②节点编号：用(i,j)坐标表示每一个节点，i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4,5.0xyij(i,j)(i+1,j)(i-1,j)(i,j+1)(i,j-1)三、CFD求解过程8/31/202111超大规模集成电路硅衬底抛光三、CFD求解过程计算二维空间内无热源的稳态传导换热情况下的数值解。假设计算区域为正方形，边长=4mm，左侧、右侧和下侧边界温度为0K，上侧边界温度为1K。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(4)建立离散方程内节点的差分离散方程0xy0K0K0K1K4mm4mm0xy(i,j)(i+1,j)(i-

8、1,j)(i,j+1)(