CN109002644A - 一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，该方法以多芯片组件中微流道直径、微流道结构、微流道冷却液进口流速作为设计参数，以有限元模型中最高温度作为目标值，设计了9组有效试验计算仿真，通过正交设计试验方法对试验结果数据做极差分析，得出优化组合及其影响因子的主次关系，在通过实验结果，可做出方差分析，得出对微流道散热性能的影响因子的显著性影响，该方法对其它互连结构优化设计也具有指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装中电子元器件的散热优化技术，具体是一种基于正交试验设计的多芯片组件微流道散热结构的优化方法。
背景技术
随着智能手机、平板电脑、移动存储设备及车用电子设备等电子产品对更多功能、更小体积和更高集成度需求的日益增加,使得电子产品内电路功率显著上升，这就必然会导致整个电子产品系统的热量急剧增多，据最新研究成果表明，在室温条件下，当电子元器件的温度在升高10℃，电子元器件的使用寿命减半，这就是“10℃法则”，而且当温度在70℃～80℃之间时，温度每升高一度，其可靠性就降低5％，而且在电子元件失效诱因中，温度的影响比例高达55％。因此，散热问题已成为制约电子产品进一步小型化和集成化的瓶颈之一。为解决小体积和高集成度条件下的电子产品散热问题，需要采用更加有效的新型散热技术，而作为新型散热技术之一的微流道散热技术由于具有低热阻、高效率和可与芯片集成加工等优点，其实际应用极大的满足了电子产品在小型化和高集成度化的同时对散热性能的需求。微流道散热技术可以基于硅基板及低温共烧陶瓷(LTCC)基板来实现。
为了实现散热结构的散热性能最优，可以通过优化基板结构，从而使得电子元器件的散热性能能够优化，不至于因为器件工作状态的时候，由于温度过高而失效。而对结构的优化过程往往是先提出想法，然后在此基础上做出相应的结构，成品做出之后还需要做对应的元器件发热试验，考察在该结构形状尺寸且电子元器件正常工作的情况下检测所能达到的温度是多少，而这样的一个试验过程是需要花费很大的时间和精力的。提出结构尺寸数据，然后就是需要做出大量的试验数据。正交试验设计(Orthogonal Design)是于二十世纪50年代初期，由日本质量管理专家田口玄一(Tachugi)博士提出的在多因素试验设计方法的基础上，进一步研究开发出来的一种试验设计技术。正交试验设计方法使用一种规范化的表格(正交表)进行试验设计，可以用较少的试验次数，取得较为准确、可靠的优选结论。因此，在对基板的微流道结构做优化时候，可以利用正交试验设计方法，从而减少试验次数，更容易实现优化结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，该方法通过制定相应水平因素的正交表来进行试验设计，简化了试验次数，选取了具有代表性的试验组合，提高了优化效率。
实现本发明目的的技术方案是：
一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，具体包括如下步骤：
1)建立多芯片组件的三维模型；
2)将步骤1)建立的三维模型划分网格导入流体分析软件fluent中进行温度仿真分析；
3)确定影响散热性能的影响因素；
4)创建正交试验中使用的正交水平因素表；
5)根据设计的正交水平因素表设计出9组具有代表性的试验组合；
6)建立9组相应结构组合的有限元分析模型；
7)分别仿真计算出结果，得出最后的模型中最高温度结果；
8)整理数据结果，对数据进行极差分析得出影响基板散热性能的因素主次关系；
9)对试验结果数据做方差分析，得出影响基板散热性能的因素显著性关系。
步骤1)中，所述的三维模型，包括依次设置的芯片和基板，所述芯片包括设在基板正中央的第一芯片和设在第一芯片四周的第二芯片；所述基板内设有微流道，微流道设在基板的中轴上。
步骤3)中，所述的影响因素包括微流道的直径、微流道结构形状和冷却液进口流速。
步骤6)中，是根据9组不同微流道结构参数组合，创建相对应的有限元仿真分析模型，模型除去微流道结构参数不同外，其余边界条件和加载的外界条件相同，所述边界条件是在空气自然对流情况下取周围空气的温度为25℃。
有益效果：本发明提供的一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，该方法通过较少的实验次数，在一定的范围内比较精确的考察出影响带有微流道的多芯片组件散热性能，而且通过对数据结果的分析，可知影响因子的影响主次关系以及对散热效果的显著性，计算较为简便，为后期参数优化设计带来极大的方便。
附图说明
图1为本发明实施例中的多芯片组件二维模型示意图及其相应尺寸；
图2为本发明实施例中的多芯片组件三维模型剖视图；
图3为不含微流道时候有限元仿真温度场云图；
图4为带有单根微流道结构的温度场仿真结果云图；
图5为最优组合的温度仿真仿真结果云图；
图6为不同结构的微流道示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐释，但不是对本发明的限定。
实施例：
一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，首先对基板中微流道结构提出影响基板散热性能的结构因素，也就是正交试验设计中的因素选择，然后对该结构因素设计相应的水平变量。在本次案例中，先利用正交设计方法设计出正交表进行试验设计，本次设计了9组试验组合，根据这9组试验参数，建立相应的9组仿真模型，对着9组组合进行仿真计算后得出相应的温度结果，在对所获得的数据，进行极差分析可以得出影响基本微流道结构散热性能因素的主次关系，考察出哪个结构对散热性影响大，也可以通过方差分析考察影响因子的显著性，最终获得最有利于散热的结构组合，具体包括如下步骤：
1)利用SolidWorks三维绘制软件，建立带有微流道的多芯片组件模型，模型基本尺寸及其示意图为图1，图2所示；基板中央的大芯片尺寸为8mm×8mm×0.65mm，中央芯片四周的4个小芯片的尺寸相等且均为5mm×5mm×0.65mm，为了简化有限元分析，不考虑芯片与基板之间的互连焊点，各芯片之间的中心距均设置为11mm；基板为LTCC基板，尺寸为40mm×40mm×1.5mm；基板内含微流道且位于基板正中央，其直径初步定义为φ0.4mm；位于基板上的硅芯片作为热源，大芯片的功耗为3w，假设其中有5％的功率用于发热，因此大芯片发热功耗为0.15w，故大芯片热流密度为3.606×106w/m3；四个小芯片的功耗均为1w，发热功耗为0.05w，热流密度为3.077×106w/m3；冷却水从入口流入微流道中并带走热量，再从出口流出，定义流动方式为层流，入口边界条件设置为速度进口，初步定义流速为0.5m/s，出口边界条件设置压力出口；
2)将步骤1)建立的模型划分网格导入流体分析软件fluent中进行温度仿真分析，通过有限元分析软件fluent，设定相应的边界条件及其实施的载荷后计算并得出不含微流道的有限元仿真温度场云图，如图3所示，此时多芯片组件最高温度为75.17℃；
3)改变多芯片组件中基板的结构，加入微流道后再相同边界条件下得出相应的有限元仿真温度场云图，如图4所示，此时多芯片组件最高温度为52.52℃，此时说明了带有微通道结构的散热性能是比较显著的；
4)获取影响多芯片组件散热性能的影响因素为：微流道进口冷却液流速、微流道结构、微流道直径；分别对各个因素选取3个水平值，其因素水平表如表1所示；所述的微流道结构设置如图6所示的三种不同的微流道结构形状及其详细尺寸布局；
5)采用正交设计试验方法，根据制定的因素水平表设计出具有代表性的9组仿真模型水平组合，如表2所示；
6)在有限元流体分析fluent软件中建立不同结构的9组分析模型，施加相应的热载荷以及边界条件，计算结果得出基板模型中的温度场分布，并记录数据在表2中的模型最高温度；
7)对数据进行极差分析，根据表2中所示的9组温度仿真结果数据,并得到散热性能最优结果组合，温度仿真如图5所示。进行极差分析的计算结果后所得的结果如表3所示，各因素按极差由大到小的排序依次为：RJ>RD>RV，因此可知，在本文所考察的影响微流道散热性能的三个因素中，因素微流道结构影响最大，其次是因素微流道直径，最后才是因素流体流速；由此分析结果可知，由于微流道结构对温度影响最大，因此在实际设计微流道时，需要更为注重对微流道的结构进行设计，以提高微流道的散热能力。
在多芯片组件散热设计中采用正交设计，能够确定多芯片组件的散热影响因素，通过对这些因素的控制，减少产品质量波动，提高生产效率，产品工艺质量水准改善，降低成本。
表1因素水平表
表2正交设计试验参数组合结果
表3正交设计极差分析结果表
Claims (4)
1.一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）建立多芯片组件的三维模型；
2）将步骤1）建立的三维模型划分网格导入流体分析软件fluent中进行温度仿真分析；
3）确定影响散热性能的影响因素；
4）创建正交试验中使用的正交水平因素表；
5）根据设计的正交水平因素表设计出9组具有代表性的试验组合；
6）建立9组相应结构组合的有限元分析模型；
7）分别仿真计算出结果，得出最后的模型中最高温度结果；
8）整理数据结果，对数据进行极差分析得出影响基板散热性能的因素主次关系；
9）对试验结果数据做方差分析，得出影响基板散热性能的因素显著性关系。
2.根据权利要求1所述的一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，其特征在于，步骤1）中，所述的三维模型，包括依次设置的芯片和基板，所述芯片包括设在基板正中央的第一芯片和设在第一芯片四周的第二芯片；所述基板内设有微流道，微流道设在基板的中轴上。
3.根据权利要求1所述的一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，其特征在于，步骤3）中，所述的影响因素包括微流道的直径、微流道结构形状和冷却液进口流速。
4.根据权利要求1所述的一种多芯片组件微流道散热结构的优化方法，其特征在于，步骤6）中，是根据9组不同微流道结构参数组合，创建相对应的有限元仿真分析模型，模型除去微流道结构参数不同外，其余边界条件和加载的外界条件相同，所述边界条件是在空气自然对流情况下取周围空气的温度为25℃。
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