CN110232206A - 基于ansys的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中热变形仿真方法并未考虑脉冲功率的变化对温度的影响而导致的仿真结果与实际结果有着较大的差距的问题，本发明提供一种基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，首先对脉冲功率器件进行热仿真过程，得到温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果并形成存储文件；然后，进行结构仿真过程，并将上述的脉冲功率器件热仿真结果文件作为载荷施加到结构仿真中，得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。本发明所述方法能在物理过程上更接近脉冲功率器件的实际温变过程与散热过程，获得更精确的脉冲功率器件的在不同时间点的温度场、温度随脉冲功率的变化过程和热变形结果。

Description

基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率器件的可靠性领域，特别是一种基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法。

背景技术

随着微电子封装技术的快速发展，电子器件不断向小型化和高度集成化的方向发展。脉冲功率器件的设计、封装和材料等相关技术的不断进步，致使其尺寸更小，高I/O数，电性能好并且易于装配到电路板上。脉冲功率器件在制造和使用中会受到温度、湿气、振动等条件因素的影响，易与造成器件可靠性的失效问题并影响器件的正常使用。有关调查数据表明，温度是造成脉冲功率器件失效的主要原因。由于器件结构中不同材料之间热膨胀系数差异，脉冲功率器件在温变过程中会产生热变形。热变形会影响到器件的共面度[2]，引发芯片断裂、芯片分层和焊点失效等质量问题。因此，对于脉冲功率器件建模技术的研究就显得十分必要。

目前，常采用的脉冲功率器件的热变形仿真方法，一般是根据器件的物理结构，分析其平均脉冲功率稳态时的温度分布情况，以便寻找器件的热关键点，获得器件温度关键点的热变形结果，如图7～8所示。这种热变形仿真方法得到的温度分布，并未考虑到脉冲功率的变化对温度的影响，因而最后结果与实际结果有着较大的差距，不利于脉冲功率器件的热变形研究。

发明内容

为了解决现有技术中热变形仿真方法并未考虑脉冲功率的变化对温度的影响而导致的仿真结果与实际结果有着较大的差距的问题，本发明提供一种基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法。

本发明为了解决上述技术体所采用的技术方案是：基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，其技术方案在于：首先对脉冲功率器件进行热仿真过程，得到温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果并形成存储文件；然后，进行结构仿真过程，并将上述的脉冲功率器件热仿真结果文件作为载荷施加到结构仿真中，得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。

本发明的有益效果是：本发明所述方法包括脉冲功率器件的热仿真和结构仿真；所述脉冲功率器件的热仿真方法，通过选择单元类型、建立仿真模型、材料参数设定、网格划分、热载荷加载与瞬态求解控制设置，计算得到温度随时间变化的仿真结果；所述脉冲功率器件的结构仿真分析，通过清除热分析的载荷约束、热—结构转变、分析类型、材料参数设置、参考温度设置和热分析结果加载、约束条件施加，计算得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。本发明所述仿真方法能在物理过程上更接近脉冲功率器件的实际温变过程与散热过程，获得脉冲功率器件在不同时间点的温度场、温度随脉冲功率的变化过程和热变形结果。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为脉冲功率器件的几何模型。

图3是t＝15s时脉冲功率器件的温度分布云图。

图4是t＝15s时节点8484的温度变化示意图。

图5是定义约束后的网格模型。

图6是t＝15s时脉冲功率器件的热变形示意图。

图7是稳态时脉冲功率器件的温度结果。

图8是稳态时脉冲功率器件的热变形图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请进行进一步的说明。

如图1所示，热仿真过程采用间接法进行热-结构耦合分析，包括以下步骤：

S1.选择脉冲功率器件热仿真的热单元类型；

S2.对脉冲功率器件的几何模型进行简化，建立几何模型；

S3.将S2步骤得到的几何模型导到入Ansys中，添加材料参数，进行网格划分并进行局部细化；

S4.进行热载荷的加载和瞬态求解控制设置；

S5.进行热仿真分析求解，得到温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果；

S6.将S5步骤得到的脉冲功率器件热仿真结果进行保存。

其中，S4步骤中的热载荷的加载和瞬态求解控制设置过程包括以下步骤：

S401.将脉冲功率器件的脉冲功率转换成热生成数据；

S402.制定txt文档，将S401中的热生成数据加载到表格载荷中；

S403.根据脉冲功率器件的脉冲功率的脉宽和频率，设置相对应的时间步长，时间步长的时间 t1取脉冲信号中高电平时间点t2的一半，即：t1＝t2/2；输出结果中，设置需要输出结果的频率n，输出结果时间点t3是时间步长的倍数，即：t3＝n*t1；其中，n为1，2，3……的自然数。 n的大小由存储输出结果的存储硬盘大小决定，如果硬盘存储器空间足够，可以将n取值1，此时，存储输出结果的频率最高，存储的数据最多。在实际操作中，可以根据情况确定n的取值。

其中，结构仿真过程为静态分析，包括以下步骤：

S7.获取热仿真过程得到的温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果文件，然后进行热-结构单元转换，将热单元转换成对应的结构单元，并删除热仿真过程中的所有加载和约束；

S8.定义结构仿真的类型、材料参数设置、参考温度设置，施加约束载荷，将S7步骤获取的温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果文件作为载荷施加到结构仿真中，选择时间点T 的热分析结果作为热载荷加载到结果模型上；按照模型的结构，将底面中心的四个节点进行全约束；

S9.进行脉冲功率器件的结构仿真分析，得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。

具体实施方式I：本实施例结合某脉冲功率器件为仿真对象，提出基于ANSYS的热变形仿真方法。脉冲功率器件的电参数：脉冲功率为2W,脉冲周期是1ms,脉冲宽度是100μs。参照图1所示流程对脉冲功率器件的热变形仿真进行分析与建模。具体步骤如下：

步骤一，本次分析选用间接法进行热-结构耦合分析，选用Solid70热单元；

步骤二，对脉冲功率器件几何模型进行简化，去掉器件中对热变形影响较小的结构，如细的引线、引脚、焊点等细小结构；如图2，仿真模型结构为：基板(D)、粘接层(C)、芯片(B)、塑封层(A)；

步骤三，添加模型的材料参数，包括芯片的弹性模量131Gpa、泊松比0.28、密度2300kg/m3、热膨胀系数2.8×10-6m/K，热导率131W/(m·K)；粘接层的弹性模量7GPa，泊松比0.34，密度2500kg/m3，热膨胀系数1×10-4m/K，热导率0.2W/(m·K)；塑封层的弹性模量20GPa，泊松比0.25，密度1900kg/m3，热膨胀系数4×10-5m/K，热导率0.25W/(m·K)；基板的弹性模量Ex＝Ey＝7Gpa、Ez＝7.5Gpa，Gxy＝Gyz＝2.4Gpa、Gxz＝3.6Gpa，泊松比 Uxy＝Uyz＝0.42、Uxz＝0.11；密度1700kg/m3，热膨胀系数Ax＝Az＝15×10-6m/K、Ay＝25× 10-6m/K，热导率0.2W/(m·K)；

步骤四，热载荷的施加，包括芯片上脉冲载荷的施加、初始温度为25℃、器件外表面对流系数设定为125w/m2；瞬态求解控制设置，时间总长(Time at end of loadsteps)是15s，时间步长(time step size)是0.00048s，结果输出的频率数(Write every Nthsubsteps) 是n＝2；

步骤五，按照上述方式定义完成后首先进行热分析求解，得到脉冲功率器件的瞬态热仿真结果。t＝15s时脉冲功率器件的温度场如图3所示：芯片对应的上表面温度最高(34.7℃)，器件边角处的温度最低(28℃)；图4为t＝15s时节点8484的温度变化示意图：初始时温度增长较快，最后逐渐趋于稳定；

步骤六，热分析完成后，保存热仿真结果文件(*.rth)；进行热-结构单元的转换，将热单元Solid70转换成Solid185结构单元；删除热分析中定义的所有加载和约束；定义结构分析为静态分析、参考温度为25℃，定义约束载荷，将底面中心的四个节点进行全约束，如图5所示；将某一时间点热分析结果文件作为载荷施加到结构分析中；

步骤七，进行脉冲功率器件的结构分析仿真，得到热变形的仿真结果。进行脉冲功率器件的结构分析仿真，得到热变形的仿真结果。t＝15s时脉冲功率器件的热变形如图6所示：器件热变形呈现出两边向上翘起、中心下凹的变形，变形从中心约束点到边角处逐渐增大，变形值为1.4μm。

至此，本流程结束。

总之，本发明公开了一种脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，包括脉冲功率器件的热仿真和结构仿真；通过选择单元类型、建立仿真模型、材料参数设定、网格划分、热载荷加载与瞬态求解控制设置，计算得到温度(℃)随时间(t)变化的仿真结果；然后通过清除热分析的载荷约束、热—结构转变、分析类型、材料参数设置、参考温度设置和热分析结果加载、约束条件施加，计算得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。该仿真方法能在物理过程上更接近脉冲功率器件的实际温变过程与散热过程，获得脉冲功率器件在不同时间点的温度场、温度随脉冲功率的变化过程和热变形结果，使脉冲功率器件的热变形仿真更加接近实际情况，得到更精确的测量结果。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，其特征在于：首先对脉冲功率器件进行热仿真过程，得到温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果并形成存储文件；然后，进行结构仿真过程，并将上述的脉冲功率器件热仿真结果文件作为载荷施加到结构仿真中，得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。

2.根据权利要求1所述的基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，其特征在于：热仿真过程采用间接法进行热-结构耦合分析，包括以下步骤：

S1.选择脉冲功率器件热仿真的热单元类型；

S2.对脉冲功率器件的几何模型进行简化，建立几何模型；

S3.将S2步骤得到的几何模型导到入Ansys中，添加材料参数，进行网格划分并进行局部细化；

S4.进行热载荷的加载和瞬态求解控制设置；

S5.进行热仿真分析求解，得到温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果；

S6.将S5步骤得到的脉冲功率器件热仿真结果进行保存。

3.根据权利要求2所述的基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，其特征在于：S4步骤中的热载荷的加载和瞬态求解控制设置过程包括以下步骤：

S401.将脉冲功率器件的脉冲功率转换成热生成数据；

S402.制定txt文档，将S401中的热生成数据加载到表格载荷中；

S403.根据脉冲功率器件的脉冲功率的脉宽和频率，设置相对应的时间步长，时间步长的时间t1取脉冲信号中高电平时间点t2的一半，即：t1＝t2/2；输出结果中，设置需要输出结果的频率n，输出结果时间点t3是时间步长的倍数，即：t3＝n*t1；其中，n为其中，n为1，2，3……的自然数。

4.根据权利要求1所述的基于ANSYS的脉冲功率器件的热变形仿真分析方法，其特征在于：结构仿真过程为静态分析，包括以下步骤：

S7.获取热仿真过程得到的温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果文件，然后进行热-结构单元转换，将热单元转换成对应的结构单元，并删除热仿真过程中的所有加载和约束；

S8.定义结构仿真的类型、材料参数设置、参考温度设置，施加约束载荷，将S7步骤获取的温度随时间变化的脉冲功率器件热仿真结果文件作为载荷施加到结构仿真中，选择时间点T的热分析结果作为热载荷加载到结果模型上；按照模型的结构，将底面中心的四个节点进行全约束；

S9.进行脉冲功率器件的结构仿真分析，得到脉冲功率器件在各个时间点的热变形结果。