基于Abaqus的叠层器件有限元分析

【前言】基于Abaqus的叠层器件有限元分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1叠层结构的热应力有限元分析 某型叠层器件结构由4层板和3层芯片构成.设计首先要求考虑，当器件温度达到200 ℃时，该叠层器件的热应力分布.[4]叠层器件的材料参数为：芯片材料的弹性模量为131 GPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为2.8×10-6 ℃-1；板材料为FR4，弹性模量为2...

摘要： 针对叠层结构的热应力和散热问题，用Abaqus建立叠层结构热应力和流体动力学分析模型.热应力分析结果表明在芯片与板两种材料结合部位的应力较大；流体动力学分析结果表明在叠层间空气的流动比外表面小.

关键词： 叠层结构； 热应力； 流体动力学； 有限元； Abaqus

中图分类号： TB115.1文献标志码： B

引言

随着工业技术的发展，电子产品在体积基本保持不变的情况下，功率有显著增加，器件的散热量也增大.为保证电子产品工作的可靠性，如何散热成为重要的问题.从电子产品结构分析来看，需要做2个方面的工作，其一是了解在极限工作温度状态下结构所产生的热应力分布；其二是采用风扇强制散热时，叠层结构的空气流动情况.Abaqus有限元软件不仅可解决相对简单的线性问题，也可用于许多复杂的非线性问题.[1]Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料.[2]作为通用的模拟工具，Abaqus除能解决大量结构（如应力位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学（流体渗透应力耦合）分析及压电介质分析等.[3]采用有限元软件Abaqus的Standard模块，针对叠层器件结构，建立热应力有限元模型；采用Abaqus的CFD模块，建立流体动力学有限元模型；最后根据上述2个模型的计算结果，分析产品热应力和空气的流动情况，为结构设计提供依据.

1叠层结构的热应力有限元分析

某型叠层器件结构由4层板和3层芯片构成.设计首先要求考虑，当器件温度达到200 ℃时，该叠层器件的热应力分布.[4]叠层器件的材料参数为：芯片材料的弹性模量为131 GPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为2.8×10-6 ℃-1；板材料为FR4，弹性模量为224 GPa，泊松比为0.28，热膨胀系数为1.8×10-5 ℃-1.为详细考察结构的热应力分布情况，建立三维有限元模型，采用8节点六面体三维实体单元C3D8R.

由于结构的对称性，取1/4结构建立有限元分析模型.为能够获得质量较高的有限元网格，首先建立多个形状简单的“Part”；然后通过“Assembly”组合成叠层结构的形状；再用命令“Merge/Cut InstancesGeometry Intersecting BoundariesRetain”将各个简单结构连接成一个整体；最后采用“ToolsPatitionCreate Partition”命令，将结构切割成可以划分较高质量网格的有限元模型.

最后获得具有8节点三维块体单元C3D8R的1/4叠层器件的有限元模型，该模型单元总数为3 395个，节点总数为4 800个.

1/4叠层结构的有限元计算等效应力云图见图1，可知，叠层结构在芯片和板两种材料的结合部位应力较大，特别是在两种材料连接的角点位置应力最大（见图2）.

图 11/4叠层结构的等效应力云图

图 2两层材料边界的等效应力曲线

根据上述有限元计算分析可知，采用Abaqus的Standard模块，可以对叠层器件结构进行有效的有限元热应力计算分析.本模型所采用的建模策略为：先分别建立各简单叠层器件中的简单三维几何模型，然后用“Assembly”搭接出整体结构的建模手段，比通常建模采用直接建立一个“Part”的方法，更便于把整体结构分割成易于划分网格的简单几何体，也更容易得到质量较高的8节点六面体单元.

2叠层器件流场的有限元分析

为了解叠层器件通过风扇吹风散热的情况，进行流体动力学分析.考虑到Abaqus的CFD求解器是基于混合间断有限元法/有限体积法和有限元法的求解方法，可以解决与层流和湍流相关的流体力学问题，所以使用该有限元模块对叠层器件结构进行空气的流场分析.

首先建立叠层4层板的三维有限元流体动力学模型，假设风扇在结构的一侧吹风.为了解在空气流动情况下，结构表面的空气流速情况，选择电子原件中的叠层器件，定义叠层器件表面空气流速为0，空气从叠层器件的一侧流进，另一侧流出.根据实际电子结构，选取叠层器件以及周围空间建立流体动力学三维有限元模型.为节省计算资源，仍然利用叠层器件的对称性，建立三维流体动力学对称模型.为获得质量较高的8节点六面体单元形状，在建立模型时，仍然采用“搭积木”的方式，即首先根据模型的几何形状，分别建立一些形状简单具有六面体长方形的几何模型，然后利用“Assembly”中的有关命令结合“切割”命令，获得具有高质量六面体单元形状的流体动力学有限元模型.

流体动力学有限元模型采用八节点六面体形状的FC3D8单元，共划分29 560个单元，33 302个节点.

叠层4层结构空气流场分布见图3.从有限元计算结果可知，在模拟风扇吹风散热过程中，叠层结构外表面的空气流动快，相比之下各层之间的空气流量较小.

图 3叠层4层结构空气流场分布

为更细致地观察叠层结构中板与板之间的流场情况，建立两板之间空气流动的有限元流体动力学模型，计算结果见图4和5，可知，在风扇直接吹到的表面，风压和风速较大；但在风扇吹不到的部位风速较小，说明散热较差.如果采用强制通风散热技术时，要采用多个风扇从不同方向吹风散热的方法，才能达到较好的效果.

图 4两层板之间的空气流速云图

图 5两层板之间风扇吹风产生的压力云图

通过abaqus/CFD对叠层器件的流体动力学有限元计算分析可知，采用“搭积木”式的建模方法，尽管在建模开始时，需要详细考虑如何把叠层器件的流体动力学几何模型进行分解，但对分解好的简单几何模型进行建模、组装和搭接，以及进一步网格划分就非常简便.

由于叠层器件结构比较复杂，如果只建立一个能够详尽表述出该器件流场分布情况的流体动力学模型，将会耗费大量的计算资源和计算时间，而采用整体模型和局部模型相结合的分析方法，可以有效降低计算资源和计算时间.

比较以前求解流体动力学所采用的有限差分等方法的流体力学求解器，Abaqus/CFD求解器具有很强的求解功能，特别是在处理三维流体模型问题时，通常易于解决其他流体力学软件无法求解或者需要计算很长时间的模型，在求解功能和求解时间方面具有显著的求解优势.但是，Abaqus/CFD模块只提供三维模型的分析功能，没有一、二维分析功能，因此需要工程技术人员在使用过程中更新建模思路.例如，在其他软件中建立一、二维流体模型时，就应该考虑如何还原成为具有三维特性的Abaqus/CFD的流体力学模型.

3结束语

通过使用Abaqus/Standard和Abaqus/CFD对叠层器件热应力和流体动力学有限元分析可知，利用三维实体单元C3D8R建立的叠层器件有限元模型，可以有效计算分析结构热应力分布情况.通过分析结果知道，最大热应力在芯片和板两种材料相结合的边界部位.利用FC3D8单元建立的叠层器件流体动力学的有限元计算可知，在使用风扇通风时，叠层板之间的空气流动较器件外表面流速小，两板之间空气流速随着两板之间间隙的减小而减小.

采用Abaqus的流、固体分析方法，可以有效分析叠层器件结构的工作情况，该软件可为叠层器件的结构设计和散热提供有效的分析工具.

参考文献：

[1]庄茁， 张帆， 岑松， 等. Abaqus 非线性有限元分析与实例[M]. 北京： 科学出版社，2005： 207237.

[2]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[C]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 963.

[3]赵腾伦， 姚新军. ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2007： 198430.

[4]刘鸿文. 材料力学（Ⅰ）[M]. 5版. 北京： 高等教育出版社， 2005： 210252.