电路板芯片热分析：稳态与瞬态

1 问题描述

下图所示的电路板：包括三个在正常运行过程中产生热量的芯片。只要在板上通上电源，一个芯片就能保持通电状态，另外两个芯片在不同的时间内，会周期性地激活和断开能量。利用稳态热分析和瞬态热分析方法研究这些芯片所产生的热量。

2 分析过程

2.1创建分析系统

建立一个与稳态分析相关联的瞬态热分析。启动ANSYS Workbench，从工具箱中，将一个稳态热系统分析拖到项目示意图上。随后将瞬态热系统分析拖动到稳态热系统分析处，使单元格2、3、4和6以红色突出显示。

释放鼠标按钮，完成稳态分析与瞬态分析的关联。

2.2 导入几何模型

在稳态热分析示意图中，右击几何Geometry，选择Import Geometry。

2.3 网格划分

设置特定的网格方法控制和网格大小来控制和确保良好的网格质量。

2.3.1 网格方法：

a．在目录树右击Mesh选择Insert> Method

b．在工具栏选中Edit> Select All来选择全部实体

c．在明细栏，把Method设置成Hex Dominant,Free Face Mesh TypeAll Quad.

2.3.2 元件的网格划分：

a．在目录树右击Mesh选择Insert> Sizing

b．首先用Body selection工具栏按钮，然后按住Ctrl按钮，单击15个单独的Body，选择除board之外的所有Body。完成选择主体后，单击Details视图中的Apply按钮。

c．将Element Size从默认值更改为0.0009 m

2.3.3 板的网格划分

a.在目录树右击Mesh选择Insert> Sizing

b.单独选中板实体将Element Size从默认值更改为0.002m.

2.4 加载芯片的热载荷

板上不断通电的芯片产生的内热载荷为5e7 W/m3。

用Body选择的工具栏按钮，单击选择如下所示的芯片。然后右击Steady-State Thermal选择Insert> Internal Heat Generation，在Magnitude输入5e7

2.5 加载整个电路板的对流载荷

选择全部实体，在Environment工具栏选择Convection，导入温度对流系数Stagnant Air - Simplified Case.

2.6 稳态结果

求解得到电路板的稳态温度分布结果如下：

2.7 瞬态分析设置

瞬态持续时间为200s，设置如下：

2.8 添加第一个芯片的热载荷

该芯片的通电时间在20到40秒之间，这段时间内产生的热载荷为5e7 W/m3。如下图所示：

右键Transient Thermal插入Internal Heat Generation，在Tabular Data输入数据：

2.9 添加第二个芯片热载荷

另一个芯片的通电时间在60到70秒之间，这段时间内产生的热载荷为5e7 W/m3。如下图所示：

右键Transient Thermal插入Internal Heat Generation，在Tabular Data输入数据：

2.10 瞬态结果

在Solution插入Temperature，得到整个电路板全部时间历程的温度结果如下：

同理，可以得到芯片单独的时间历程温度情况：

用chart展示三个芯片的温度结果

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