湍流模型下堆疊芯片溫度場(chǎng)分析

李繼生　王婷　黃戰(zhàn)武

摘 要： 風(fēng)扇散熱的原理是較冷空氣流過(guò)芯片或PCB板時(shí)，通過(guò)熱對(duì)流方法吸收芯片發(fā)出的熱，變成較熱的空氣流出，從而達(dá)到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當(dāng)堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過(guò)，且速度[v]較大時(shí)，芯片的散熱方式主要是熱對(duì)流，而熱傳導(dǎo)、熱輻射等散熱方式可以忽略不計(jì)。通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 堆疊芯片； 勻速空氣流動(dòng)； 熱分析； 散熱； 熱對(duì)流

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，隨著電子元器件的集成度越來(lái)越高，其發(fā)熱密度也越來(lái)越高，相應(yīng)地電子產(chǎn)品的過(guò)熱問(wèn)題也就越來(lái)越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中不注重散熱的設(shè)計(jì)，元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制，最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來(lái)一定的影響，造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過(guò)程中，熱分布問(wèn)題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡(luò)法，分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱途徑等問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件， 分析了芯片的熱分布；但是，基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，并結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，從而得到空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)扇散熱基本原理

風(fēng)扇發(fā)出較冷空氣（一般為外界溫度），進(jìn)入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度，其熱量將通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給流動(dòng)空氣。流動(dòng)空氣吸收熱量后，變成較熱空氣流出芯片間隙通道，發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

[2] 王欣.熱源溫度場(chǎng)疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李曉軍.凍結(jié)溫度場(chǎng)的疊加計(jì)算與計(jì)算機(jī)方法[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（1）：25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[5] 余慧，吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（5）：865?869.

[6] 馬忠輝，孫秦，王小軍，等.熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學(xué)報(bào)，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： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應(yīng)用[J].電子質(zhì)量，2008（1）：128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1989.

[12] 馬良棟，張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對(duì)矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（6）：48?50.

摘 要： 風(fēng)扇散熱的原理是較冷空氣流過(guò)芯片或PCB板時(shí)，通過(guò)熱對(duì)流方法吸收芯片發(fā)出的熱，變成較熱的空氣流出，從而達(dá)到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當(dāng)堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過(guò)，且速度[v]較大時(shí)，芯片的散熱方式主要是熱對(duì)流，而熱傳導(dǎo)、熱輻射等散熱方式可以忽略不計(jì)。通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 堆疊芯片； 勻速空氣流動(dòng)； 熱分析； 散熱； 熱對(duì)流

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，隨著電子元器件的集成度越來(lái)越高，其發(fā)熱密度也越來(lái)越高，相應(yīng)地電子產(chǎn)品的過(guò)熱問(wèn)題也就越來(lái)越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中不注重散熱的設(shè)計(jì)，元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制，最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來(lái)一定的影響，造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過(guò)程中，熱分布問(wèn)題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡(luò)法，分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱途徑等問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件， 分析了芯片的熱分布；但是，基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，并結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，從而得到空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)扇散熱基本原理

風(fēng)扇發(fā)出較冷空氣（一般為外界溫度），進(jìn)入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度，其熱量將通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給流動(dòng)空氣。流動(dòng)空氣吸收熱量后，變成較熱空氣流出芯片間隙通道，發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

[2] 王欣.熱源溫度場(chǎng)疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李曉軍.凍結(jié)溫度場(chǎng)的疊加計(jì)算與計(jì)算機(jī)方法[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（1）：25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[5] 余慧，吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（5）：865?869.

[6] 馬忠輝，孫秦，王小軍，等.熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學(xué)報(bào)，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： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應(yīng)用[J].電子質(zhì)量，2008（1）：128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1989.

[12] 馬良棟，張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對(duì)矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（6）：48?50.

摘 要： 風(fēng)扇散熱的原理是較冷空氣流過(guò)芯片或PCB板時(shí)，通過(guò)熱對(duì)流方法吸收芯片發(fā)出的熱，變成較熱的空氣流出，從而達(dá)到驅(qū)散芯片間熱空氣的目的。當(dāng)堆疊在一起的芯片之間有空氣勻速流過(guò)，且速度[v]較大時(shí)，芯片的散熱方式主要是熱對(duì)流，而熱傳導(dǎo)、熱輻射等散熱方式可以忽略不計(jì)。通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 堆疊芯片； 勻速空氣流動(dòng)； 熱分析； 散熱； 熱對(duì)流

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著輕、薄、短、小的趨勢(shì)發(fā)展，隨著電子元器件的集成度越來(lái)越高，其發(fā)熱密度也越來(lái)越高，相應(yīng)地電子產(chǎn)品的過(guò)熱問(wèn)題也就越來(lái)越被關(guān)注。如果在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中不注重散熱的設(shè)計(jì)，元件產(chǎn)生的熱流就不能得到很好的控制，最終將給產(chǎn)品工作可靠性帶來(lái)一定的影響，造成元器件工作不穩(wěn)定甚至失效。特別是在PCB板元器件布置過(guò)程中，熱分布問(wèn)題尤為重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆疊芯片的散熱問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]采用有限元和熱網(wǎng)絡(luò)法，分析了堆疊芯片的結(jié)構(gòu)材料、芯片尺寸、導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱途徑等問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]采用最小邊界法處理堆疊芯片的邊界條件， 分析了芯片的熱分布；但是，基于湍流模型的熱分析還鮮有人研究。

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，并結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，從而得到空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)扇散熱基本原理

風(fēng)扇發(fā)出較冷空氣（一般為外界溫度），進(jìn)入堆疊芯片間隙通道。由于發(fā)熱芯片的溫度高于外界溫度，其熱量將通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給流動(dòng)空氣。流動(dòng)空氣吸收熱量后，變成較熱空氣流出芯片間隙通道，發(fā)熱芯片的溫度因此而降低[6?8]。

2 堆疊芯片與湍流空氣模型的建立

5 結(jié) 論

本文通過(guò)模擬勻速流動(dòng)的空氣在堆疊芯片中流過(guò)的情景，建立了堆疊芯片和勻速流動(dòng)空氣的模型，結(jié)合熱力學(xué)理論，分析了空氣流動(dòng)時(shí)板的吸熱和溫度變化情況，得到了空氣勻速流過(guò)時(shí)堆疊芯片間溫度均勻變化的結(jié)論，為堆疊芯片的散熱提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃艷飛.基于熱可靠性的PCB板電子元件優(yōu)化布局方法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

[2] 王欣.熱源溫度場(chǎng)疊加法在薄壁結(jié)構(gòu)熱分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李曉軍.凍結(jié)溫度場(chǎng)的疊加計(jì)算與計(jì)算機(jī)方法[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（1）：25?29.

[4] 張瑋.芯片堆疊中散熱分析方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[5] 余慧，吳昊.一種堆疊式3D IC的最小邊界熱分析方法[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（5）：865?869.

[6] 馬忠輝，孫秦，王小軍，等.熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究[J].宇航學(xué)報(bào)，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： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在電子設(shè)備熱分析的應(yīng)用[J].電子質(zhì)量，2008（1）：128?130.

[11] 謝德仁.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1989.

[12] 馬良棟，張吉禮.不同旋轉(zhuǎn)軸對(duì)矩形通道內(nèi)湍流與換熱影響研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（6）：48?50.