芯片散热器的稳态热分析

2019-07-23孙圣凯

科技视界 2019年15期

孙圣凯

【摘要】芯片散热器为芯片提供正常工作温度，其性能直接影响芯片的工作效率及寿命。本文依据以某已知结构的芯片散热器，利用Workbench软件对散热器进行结构模拟、热接触设置、内部生成热以及热对流的施加，快速、准确得出相应种类散热器的稳态热分析，进而得出其散热性能，并加以比较。为设计研发及避免实际散热器受损提供重要依据。

【关键词】稳态热分析;芯片散热器;模拟分析;不同材质

中图分类号： TK172文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）15-0074-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.036

Steady-state Thermal Analysis of Chip Radiator

SUN Sheng-kai

（North China University of Water Resources and Hydropower， Zhengzhou Henan 450000， China）

【Abstract】Chip radiator provides normal working temperature for chips， and its performance directly affects the efficiency and life of chips. Based on the chip radiator with a known structure， this paper uses Workbench software to simulate the structure of the radiator， set up the thermal contact， apply the heat generated inside and heat convection， quickly and accurately get the steady-state thermal analysis of the corresponding types of radiators， and then get their heat dissipation performance， and compare them. It provides an important basis for design， development and avoidance of actual radiator damage.

【Key words】Steady-state thermal analysis; Chip radiator; Simulation analysis; Different materials

0 引言

電子工业逐渐趋于集成化、一体化。近年来，国家把集成电路产业列为“十三五”期间重要的新型战略性产业。芯片，也称集成电路，普遍应用于计算机、网络通信、汽车电子等重大领域，作用举足轻重。芯片的性能主要体现在其运算处理数据的速度及质量，但好的芯片还应具备较好的散热性能，以保证芯片能以最佳运行温度进行工作。诸多的电子产品以散热片作为散热冷却的主要手段[1]。散热器多由铝合金、黄铜或青铜材料制成板状、片状、多片状等。其在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效地传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中。

如今，电子设备的功能越来越强大，产生的热量也越来越多。芯片温度的控制至关重要，对于稳定持续工作的电子芯片，最高温度不能超过85℃[2]，过多的热量会削弱这些设备的性能，甚至减少其使用寿命，则散热器的重要性可见一斑。

1 稳态热理论

对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为：

其对应的有限元平衡方程为：[K（T）]{T}={Q（T）}，式中为热传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射的形状系数。为有限元节点的温度向量，为节点的热流率向量（包括热生成）。

2 散热器结构

小型散热器由金属板料经冲压工艺及表面处理制成，大型散热器由金属材料挤压成型材，再经表面处理如电泳涂漆和黑色氧化极处理。若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘。其主要由鳍片及底座（板）组成，芯片则安装在散热器底部。具体结构图如图1所示。

3 散热器分析模拟

3.1 模型简化

为便于模拟分析和计算对芯片及散热器进行简化，在Solid works建立模型，CPU尺寸高度2mm，宽度、长度均为20mm。发热功率为1W。芯片本身与周围的金属盒和散热器有能量的传递[3]。为便于比较不同材料散热器散热性能，初始设置散热器材料为铝合金。密度ρ=2.702×103，比热容c=900J/（kg·K），铝各向同性导热率为随温度不断变化的值，取在室温22℃时导热率λ约为148.83W/（m·℃）。

3.2 芯片散热器网格划分

图2为芯片散热器网格划分模型，划分时设置网格为强制六面体网格，控制网格密度为0.5mm。

3.3 散热器内部热生成、热对流的施加

在体热生成率已知的范围添加内部热生成，芯片发热功率为1W，体积800mm3，对应内部热生成为10/800=1.25e-2W/mm3，见图3左。因散热器鳍片部分受到风扇对流作用远大于与CPU接触的底面部分，因此在散热器鳍片部分添加热对流换热系数，设置散热对流系数为25W/m3·℃，见图3右。

3.4 运算分析及查看散热效果

运算结果后添加温度后处理，其具体数值图形如图4所示。

4 更换散热器材质对芯片散热影响

将散热器材质更改为结构钢（铁）、铜合金。材料更换后重复3.1-3.4步骤，得出其余两种材料散热器散热温度分布。

理论分析材质各向同性导热率值，导热系数是表征材料物理性能不可或缺的一种基本热物性参数，反应材料的导热性能[4]，若其值越高，材质传递热即散热性能应越好。比较图表中各材质散热器温度值，可清楚得知铜合金散热性能最好，铝合金次之。这与理论分析结果一致。故该分析方法结论正确。

5 结论

通过对芯片散热器散热性能分析，比较采用不同材质散热器的散热性能情况。采用Solid Works建模、ANSYS Workbench软件对散热器各部件的稳态热模拟分析，正确比较出不同材质散热器散热性能，同时也提出一种设计校验电子散热器性能的新方法，为实际电子散热器生产设计提供可靠依据。

【参考文献】