圖2.9 芯片座幾何形狀
圖2.10 芯片座簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
2.6.2 導(dǎo)線架(lead frame)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
LQFP208 型式的導(dǎo)線架腳數(shù)間的距離較小且為密集，故省略其導(dǎo)線架上接腳
間的距離。在導(dǎo)線架的熱傳導(dǎo)為連續(xù)情況下，可作下圖2.11 和圖2.12 簡(jiǎn)化，以避
免增加建立幾何模型的困難度。內(nèi)腳導(dǎo)線架簡(jiǎn)化成板狀設(shè)計(jì)，而外腳導(dǎo)線架簡(jiǎn)化
是將外腳導(dǎo)線架Z 字型簡(jiǎn)化為L(zhǎng) 字型，簡(jiǎn)化如下圖2.13 所示：
圖2.11 導(dǎo)線架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
圖2.12 內(nèi)腳導(dǎo)線架簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
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第三章 理論介紹
本章說(shuō)明研究所應(yīng)用之基本理論，包含熱的傳遞方式、熱阻的定義、熱對(duì)流
系數(shù)的決定、CFD 應(yīng)用理論與模流基本理論。
3.1 熱傳分析基礎(chǔ)理論
熱的傳遞方式依介質(zhì)的不同可分為傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種。此三種熱傳現(xiàn)象
可同時(shí)或個(gè)別存在介質(zhì)間做熱的傳遞，本研究不考慮熱輻射現(xiàn)象。
3.1.1 熱傳導(dǎo)理論
當(dāng)一物體內(nèi)有溫度梯度(temperature gradient)存在時(shí)，表示能量將會(huì)從高溫傳
至低溫。此種能量的傳遞方式稱之為傳導(dǎo)(conduction)，且每單位面積之熱傳導(dǎo)速率
（heat transfer rate）和法線溫度梯度(normal temperature gradient)成正比：

c h ：對(duì)流熱傳遞系數(shù)（convection heat-transfer coefficient）

圖3.3 熱對(duì)流表面在層流下溫度與速度分布圖
由上式可知c h 值對(duì)于熱傳遞效率有相當(dāng)大的影響，有些系統(tǒng)的h 值可用解析法計(jì)算求得，但較復(fù)雜的情況就必須由實(shí)驗(yàn)來(lái)做決定，對(duì)流熱傳遞系數(shù)有時(shí)亦稱為薄膜導(dǎo)率(film conductance)，原因?yàn)樗c壁面流體靜止層的傳導(dǎo)過(guò)程有關(guān)。

第四章 CFD 結(jié)果與討論
4.1 介紹分析元素
Fluid 142 (3D Fluid-Thermal Element)元素可以使用在流場(chǎng)和熱場(chǎng)中，其分析的區(qū)域可包括流場(chǎng)區(qū)和非流場(chǎng)區(qū)，也能計(jì)算出分析區(qū)域的流場(chǎng)和溫度分布情況，此外也是瞬時(shí)或穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)系統(tǒng)流體分析時(shí)所使用，如下圖4.1 所示：
圖4.1 Fluid 142 3D Fluid-Thermal Element
熱場(chǎng)分析固體模型時(shí)使用Solid 70 (3D Thermal Element)，Solid 70 元素有三維熱傳導(dǎo)功能，每一個(gè)元素具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有單一溫度的自由度，也能夠應(yīng)用到三維穩(wěn)態(tài)或瞬時(shí)的熱分析。如下圖4.2 所示
圖4.2 Solid70 3D Thermal Solid Element

4.2 熱場(chǎng)與流場(chǎng)分析結(jié)果
FEM 熱場(chǎng)分析程序
前處理 (Pre-processor)
1.選定適當(dāng)分析元素：選用ANSYS(3D) element-Solid70。
2.建立幾何分析模型：建立對(duì)襯分析模型。
3.定義材料性質(zhì)：定義各材料之熱傳導(dǎo)系數(shù)(thermal conductivity)。
4.建立分析網(wǎng)格：建立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格大小(mesh size)。
求解 (Solution)
5.定義邊界條件：設(shè)定大氣溫度為25 °C 。
設(shè)定與空氣接觸面積之熱對(duì)流系數(shù)(此值由熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式
所得)。
6.定義負(fù)荷條件：設(shè)定芯片發(fā)熱功率。
7.求解
后處理 (Post-processor)
8.顯示結(jié)果：溫度場(chǎng)分布情形。
9.編緝結(jié)果和資料：
CFD 流場(chǎng)熱分析程序
前處理 (Pre-processor)：
1.選定適當(dāng)分析元素：選用ANSYS(3D) element-Fluid142。
2.建立幾何分析模型：建立對(duì)稱分析模型。
3.定義材料性質(zhì)：定義各材料之熱傳導(dǎo)系數(shù)(thermal conductivity)、比熱(specific heat)和密度(density)。
4.建立分析網(wǎng)格：建立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格大小(mesh size)。
求解 (Solution)
5.定義邊界條件：設(shè)定風(fēng)洞溫度為20 °C 。
風(fēng)洞周圍為墻壁(walls)：設(shè)定此面積三方向的速度皆為零。
風(fēng)速進(jìn)入處(inflow)：設(shè)定風(fēng)速與實(shí)驗(yàn)條件相同。
風(fēng)速出口處(outflow)：設(shè)定出口壓力與實(shí)驗(yàn)條件相同。
對(duì)稱面(symmetry)：設(shè)定對(duì)稱面的法線方向的速度為零。
6.定義負(fù)荷條件：設(shè)定芯片發(fā)熱功率。
7.求解
后處理 (Post-processor)
8.顯示結(jié)果：溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布情形。
9.編緝結(jié)果和資料

前處理建立網(wǎng)格時(shí)，由于在膠體中內(nèi)腳導(dǎo)線架的細(xì)長(zhǎng)比極大，網(wǎng)格(三角網(wǎng)格)需做個(gè)別的控制，避免單一元素體積產(chǎn)生太多的銳角和單一體積產(chǎn)生太多的元素?cái)?shù)目，導(dǎo)致不良元素產(chǎn)生及計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。建議將分析模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，透過(guò)適當(dāng)?shù)牡确衷倮盟姆叫卧匾?guī)劃網(wǎng)格，如此可效地控制分析元素?cái)?shù)目，并且可避免上述問(wèn)題。
4.2.1 網(wǎng)格大小分布
在邊界層內(nèi)，分子混亂運(yùn)動(dòng)及流體的整體連動(dòng)造成對(duì)流熱傳遞，靠近界面處速度較小，能量傳遞主要靠分子的混亂運(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散)，事實(shí)上，在流體及界面的接觸面(y=0)，流體速度為零，擴(kuò)散則為能量傳遞的唯一方式，沿著x 方向邊界層逐漸成長(zhǎng)，流體整體運(yùn)動(dòng)的能量傳遞方式漸漸顯得重要。邊界層的現(xiàn)象對(duì)于熱對(duì)流的研究非常重要，其圖4.3 為平板之邊界層示意圖，所以在作網(wǎng)格分割時(shí)，在邊界層需細(xì)分之。
圖4.3 平板之邊界層示意圖
平板之自然對(duì)流范例
根據(jù)Gordon N. Ellison[31] 所著”THERMAL COMPUTATIONS FOR ELECTRONIC EQUIPMENT”的書中；在自然對(duì)流下，小面積平板的熱對(duì)流分布情況。Ellison 提出當(dāng)平板上表面溫度高于空氣溫度，并且造成熱對(duì)流方向?yàn)橄蛏蠒r(shí)(圖4.4)，適用于小面積平板各點(diǎn)的熱對(duì)流系數(shù)公式4.1，此公式的單位為watt/ in2，經(jīng)過(guò)單位轉(zhuǎn)換為watt/m2 如公式4.2 所示。

ti:第ｉ層厚度(m) ki:第ｉ層熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/moC）kxx、kyy:In-plane 熱傳導(dǎo)系數(shù) kzz:厚度方向熱傳導(dǎo)系數(shù)圖4.5 TSOP50 三角網(wǎng)格示意圖
圖4.5 為TSOP50 FEM 熱場(chǎng)分析模型建立，利用IGES 格式將其電子構(gòu)裝之內(nèi)腳圖傳入ANSYS 軟件中，即可快速地建出三維1/2 分析模型，其結(jié)構(gòu)位置和三角網(wǎng)格示意圖。在此PCB 板的熱傳導(dǎo)性質(zhì)是利用公式(4.7)(4.8)等效性質(zhì)計(jì)算出來(lái)，以減少建立模型所花費(fèi)時(shí)間。FEM 熱場(chǎng)分析時(shí)，TSOP50 表面與空氣的熱對(duì)流系數(shù)是采用QFP 熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式3.11 和3.12；并非采用SOP 之熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式，其原因?yàn)槭荢OP 之熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式并無(wú)明確說(shuō)明適用于自然對(duì)流或強(qiáng)迫對(duì)流情況，而且在業(yè)界并不采用此計(jì)算方式，因此以QFP 熱對(duì)流經(jīng)驗(yàn)公式代替之。CFD 流場(chǎng)-熱分析時(shí)，并不需要設(shè)定電子構(gòu)裝體表面與空氣的熱對(duì)流系數(shù)，只需設(shè)定實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞邊界條件即可；由公式(4.5)(4.6)計(jì)算出出其熱邊界厚度約為0.17mm，并在此范圍內(nèi)作網(wǎng)格細(xì)分。
以下則列出相同功率下實(shí)驗(yàn)之最高溫度與熱阻值、相同功率下FEM 熱場(chǎng)模擬之最高溫度與熱阻值和相同功率下CFD 流場(chǎng)-熱場(chǎng)仿真之最高溫度與熱阻值，其熱阻值計(jì)算可參考公式3.14，并且列出模擬熱阻值與實(shí)驗(yàn)熱阻值的誤差量。下圖4.6是TSOP50 熱場(chǎng)分析結(jié)果(1.04W)，由圖可知構(gòu)裝體中心位置為溫度最高處其溫度，隨著遠(yuǎn)離中心溫度呈遞減現(xiàn)象，同樣在印刷電路板方面亦有相同的遞減效果。

自然對(duì)流下，功率與最高溫的關(guān)系：
實(shí)驗(yàn)值自然對(duì)流(natural convection)
功率 芯片溫度°C 外界溫度°C 熱阻值°C/W
0.316w 69.2 31.6 120.2532
0.485w 83.8 32.2 106.3918
0.773w 112.2 30.8 105.3040
1.040w 135.0 30.4 100.5769
1.319w 161.8 30.4 99.6209

 

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