DCDC电源模块的有限元热分析.pdf

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1、第39卷第1期微电子学Vo1．39，No．12009年2月MicroelectronicsFeb．2009·模型与算法·DC／DC电源模块的有限元热分析王元春，马卫东，吕长志，李志国(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)摘要：为解决电源模块的热可靠性问题，利用有限元热分析软件ANSYS对其进行热分析，得到整个模块的温度场分布情况；分析了模块中各生热元件的温升及其之间的热耦合情况；根据热分析结果提出热设计方法。最后，对模块各部分进行重新布局，证实了重新布局后的模块就其热可靠性而言

2、更为合理。关键词：DC／DC电源模块；多芯片组件；热可靠性；有限元法；热分析中图分类号：TN406文献标识码：A文章编号：1004—3365(2009)01—0101～04FEM-BasedThermalAnalysisofDC／DCPowerModuleWANGYuanchun，MAWeidong，LUChangzhi，LIZhiguo(SchoolofElectronicInformationandControlEngineering，BeijingUniversityofTechnolog

3、y，Beijing100124，P．R．China)Abstract：ThermalconditionsofIX；／IX；powermodulewasanalyzedbyusingfiniteelementthermalanalysissoftwareANSYStOaddressthermalreliabilityissuesofthemodule．Temperaturedistributionovertheentiremod—ulewasobtained，andheatriseofself-h

4、eatingdevicesinthemoduleandthermalcouplingamongthemwereana—lyzed．Thermaldesignmethodsbasedontheanalysiswereproposed．Finally，devicesinthemodulewererear—ranged，whichprovedtobemorereasonableasfarasthermalreliabilitywasconcered．Keywords：DC／DCpowermodule；

5、MCM；Thermalreliability；FEM；ThermalanalysisEEACC：1210电源模块的热退化现象严重，运行一段时间后，其封1引言装表面温度过高，转换效率降低，输出电流下降。由此可见模块的生热必然会成为影响其工作性能的一DC／DC电源模块主要实现将航空中通用的28个重要因素。V电压转换为15V。从组装技术上讲，De／DC电为解决电源模块的热可靠性问题，本文对其进源模块属于多芯片组件(MCM)。MCM高密度、微行了热分析，主要是进行热场分析以及热应力分析。型化的特点带来了

6、一系列设计、组装技术方面的难热应力场是结构场和温度场的耦合；而热场的分布题，其中芯片的散热问题尤为突出。随着3DMCM可通过模拟仿真和实验获得，对于三维封装来说，组装密度的进一步加大，单位体积容纳的热量越来通过实验方法一般只能获得封装实体外部的温度越高，器件的工作温度将会大大增加。器件的失效场，而内部温度场只能通过计算机仿真技术得到。往往与其工作温度密切相关，器件的失效率随温度本文通过建立电源模块的三维有限元热分析模型，升高呈指数增长]。电源模块内部的元件要在高利用ANSYS软件，对De／De电

7、源模块内部进行热温、高压、高电流下工作，因此模块内部的元件比系场及热应力分析；了解整个封装实体的温度场分布统内的其他元件更容易损坏，所以电源模块往往也情况；分析导致芯片过热的主要原因，然后根据热分是系统中最不可靠的部分。数据表明，电源模块的析的结果提出热设计方法，例如，对模块各部分进行工作效率仅为8O左右，在实际应用过程中，发现合理布局等。收稿日期：2008—06—25：定稿日期：2008—09—16102王元春等：DC／DC电源模块的有限元热分析方程，通过有限元法，计算各网格节点的温度分布，2

8、热源并由此推导出其他物理参数。ANSYS热分析可以考虑热传导、对流换热及辐射换热等多种热传递方电源模块的内部结构复杂，包含多层材料结构、式。多个截面、复杂的互连布局以及连接方式，如果在几热传递有三种最基本的方式：热传导、对流换何模型中包含了所有结构的细节，将会给有限元建热、辐射换热。其中，模型内部各材料之间通过热传模带来很大的复杂度，使得在有限元网格划分时，在导进行传热，服从傅里叶传热定律；模型外部通过对非主要热源区域产生过多、过细密的网格单元，从而流进行散热，服从牛顿冷却定律。电源模块中，各连