1 引言

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展,其集成度?尺寸以及性能不斷提高,不過(guò),其熱耗散功率急劇增加,溫度過(guò)高是影響其使用性能和壽命的關(guān)鍵因素,散熱問(wèn)題變得越來(lái)越重要?只有維持在合理溫度范圍內(nèi)使用才能保證其正常運(yùn)行?

這里對(duì)芯片用熱管散熱器進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)?采用商用CFD軟件對(duì)熱管散熱器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化分析,并對(duì)熱管散熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,最終設(shè)計(jì)出一款符合散熱性能要求的熱管散熱器?

2 數(shù)值分析過(guò)程

2.1問(wèn)題描述

這里所設(shè)計(jì)的散熱器尺寸為寬156mm,長(zhǎng)170mm,高26.5mm,其上面裝有6個(gè)芯片,需要散熱,芯片發(fā)熱量和散熱要求各不同,詳細(xì)信息見(jiàn)表1?其中,P為發(fā)熱量;Rs為要求熱阻;ΔTs為要求溫升?強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)量為76.5m3/h,要求設(shè)計(jì)的散熱器壓力損失小于180Pa,假定環(huán)境溫度為40單個(gè)芯片熱阻=單個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的散熱器底面的溫升/單個(gè)芯片發(fā)熱量?

2.2物理模型

由于設(shè)計(jì)的散熱器相對(duì)規(guī)則和簡(jiǎn)單,可直接在CFD軟件內(nèi)建立散熱器的三維模型?簡(jiǎn)化芯片熱源為均勻的平面熱源?根據(jù)芯片發(fā)熱量和熱阻要求,設(shè)計(jì)了不同參數(shù)的翅片組?圖1為散熱器的三維CFD模型?三維模型完成后,進(jìn)行網(wǎng)格劃分?然后根據(jù)問(wèn)題描述里的信息設(shè)定邊界條件,進(jìn)口邊界為恒定風(fēng)量入口,出口邊界相對(duì)靜壓為0Pa?操作壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?設(shè)定收斂殘余值,當(dāng)所有參量的殘余誤差小于或等于設(shè)定值時(shí),計(jì)算收斂并結(jié)束計(jì)算?圖2為熱管散熱器的翅片組和熱源的分布圖?

兩種方案熱管散熱器參數(shù)如下所述?方案l釆用了3種不同參數(shù)的翅片組,翅片高21.5mm?其中,翅片組1:翅片厚0.2mm,長(zhǎng)35mm,間隙1.06mm,翅片數(shù)96;翅片組2:翅片厚0.2mm,長(zhǎng)122.5mm,間隙1.61mm,翅片數(shù)67;翅片組3:翅片厚0.2mm,長(zhǎng)122.5mm,間隙1.06mm,翅片數(shù)29;熱管:4根,直徑6mm,管殼材料為紫銅,工質(zhì)為蒸餾水,熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)為燒結(jié)式?方案2采用了2種不同參數(shù)翅片組,翅片高21.5mm?其中,翅片組1:翅片厚0.2mm,長(zhǎng)40mm,間隙1.73mm,翅片數(shù)63;翅片組2:翅片厚0.2mm,長(zhǎng)98mm,間隙1.14mm,翅片數(shù)117;熱管:3根,直徑6mm,管殼材料為紫銅,工質(zhì)為蒸餾水,熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)為燒結(jié)式?

對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流散熱器,3種傳熱方式中的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱占主導(dǎo),輻射換熱可忽略?在設(shè)計(jì)優(yōu)化散熱器中主要考慮如何增強(qiáng)導(dǎo)熱和對(duì)流換熱?采用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料或通過(guò)局部嵌入高導(dǎo)熱部件增強(qiáng)導(dǎo)熱?考慮導(dǎo)熱性能和材料成本,這里設(shè)計(jì)的散熱器翅片材料為純銅,底板為鋁6063-T5,板厚為5mm,并在其底部嵌入熱管?熱管的超熱導(dǎo)性在電子芯片的散熱中得到了廣泛應(yīng)用?由于芯片小,熱源集中,通過(guò)熱管將熱量擴(kuò)散到散熱器的其他區(qū)域,然后熱量傳導(dǎo)到跟底座焊接在一起的翅片上,翅片跟空氣間存在強(qiáng)制對(duì)流換熱,從而熱量被帶走,降低了散熱器和芯片的溫度?為了強(qiáng)化對(duì)流換熱,盡可能增加散熱器的換熱面積,特別是局部熱量集中區(qū)域,采用了不同翅片參數(shù)的翅片組,并在翅片組間增加了間隙,杜絕翅片組間的導(dǎo)熱傳熱,減小不同芯片間的傳熱影響?

2.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

方案1采用了3種不同參數(shù)的翅片組,4根熱管,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3?圖3顯示了散熱器底板的溫度分布,溫度最高點(diǎn)發(fā)生在最大發(fā)熱量的芯片H1上,H1的測(cè)點(diǎn)溫升為21.5I,比要求的21.6t僅低0.1散熱器的壓力損失為162.8Pa?方案1設(shè)計(jì)的散熱器的散熱性能剛好達(dá)到所要求的散熱能力?為了增加余量,需要進(jìn)一步優(yōu)化分析?根據(jù)溫度分布,需要調(diào)整熱管的布局,將中心芯片H1的熱量更好地傳導(dǎo)到散熱器的其他區(qū)域?根據(jù)壓力損失,需要調(diào)整翅片間隙和長(zhǎng)度,來(lái)降低壓力損失,但不能影響換熱?

方案2釆用了2種不同參數(shù)的翅片組,3根熱管,考慮到熱管的反重力方向使用情況,重新進(jìn)行了布局,計(jì)算結(jié)果如圖4所示?圖4顯示了散熱器底板的溫度分布,較方案1的溫度有所降低,各芯片的溫度都能滿足其要求,散熱器的壓力損失為159.4Pa?芯片上的溫度和散熱器的壓力損失都能滿足使用要求?

表2為兩種熱管散熱器方案的計(jì)算結(jié)果總結(jié),經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在散熱性能方面,方案2要優(yōu)于方案1,方案2的成本要比方案1的成本低?所以選定方案2為最終設(shè)計(jì)方案?

3 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)設(shè)計(jì)的方案2熱管散熱器制作了樣品并進(jìn)行了不同工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試?由于芯片發(fā)熱面積小,用陶瓷加熱片來(lái)模擬芯片發(fā)熱?由于芯片H2,H3,H4的發(fā)熱量相同,H2,H3,H4合用一個(gè)輸入電源來(lái)控制其發(fā)熱量;H5,H6的發(fā)熱量相同,H5,H6合用一個(gè)輸入電源來(lái)控制其發(fā)熱量;HI用一個(gè)輸入電源來(lái)控制其發(fā)熱量?在每個(gè)芯片下凸臺(tái)內(nèi)中心位置預(yù)留了孔來(lái)安裝熱電偶,用以測(cè)量每個(gè)芯片散熱器上的溫度?該實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)機(jī)?豎直風(fēng)道?控制系統(tǒng)?測(cè)量?jī)x表?輸入電源等組成?

測(cè)試了在散熱器上6個(gè)芯片發(fā)熱量一定(H1:180W,H2,H3,H4:20W,H5,H6:16W),風(fēng)量為17-102mVh下的熱阻和散熱器壓降,測(cè)試結(jié)果如圖5所示?各芯片在發(fā)熱量一定的情況下,熱阻隨風(fēng)量增大而減小,這是因?yàn)轱L(fēng)量越大,熱管散熱器的對(duì)流換熱越強(qiáng),散熱器的換熱性能越好?不過(guò)散熱器的壓降隨風(fēng)量增加而增大?

測(cè)試了在風(fēng)量為76.5m3/h,芯片HI發(fā)熱量為180W,芯片H2,H3,H4發(fā)熱量為8-28W,芯片H5,H6發(fā)熱量為3-18W的情況下,各芯片的熱阻值,測(cè)試結(jié)果如圖6所示?芯片H2-H6的熱阻隨發(fā)熱量的增大而減小,這是因?yàn)闊峁苷９ぷ鞑㈦S熱量增大其傳熱能力增強(qiáng),所加的熱量還沒(méi)有達(dá)到熱管最大能攜帶的熱量?

測(cè)試了在風(fēng)量為76.5m3/h,Hl發(fā)熱量為75-225W,H2,H3,H4發(fā)熱量為20W,H5,H6發(fā)熱量為16W的情況下,HI的熱阻值,測(cè)試結(jié)果如圖7所示?當(dāng)發(fā)熱量小于150W時(shí),H1的熱阻隨發(fā)熱量增大而減小;當(dāng)發(fā)熱量為150-225W時(shí),熱阻保持不變?這是因?yàn)?在H1發(fā)熱量小于150W時(shí),熱管的傳熱能力隨熱量增加而增強(qiáng),到了150W熱能力達(dá)到最好?H1發(fā)熱量為225W時(shí),熱管仍然能正常工作,沒(méi)有失效?

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

表3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比總結(jié)?由表可知:設(shè)計(jì)的熱管散熱器較好地滿足了使用要求,兼顧了6個(gè)芯片的不同散熱要求?數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近,相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)?數(shù)值模擬方法在散熱器設(shè)計(jì)中起著重要作用,可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本,為其他的熱管散熱器設(shè)計(jì)提供借鑒意義?

5 結(jié)論

這里對(duì)6個(gè)芯片散熱合用的熱管散熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試?數(shù)值模擬分析了不同翅片參數(shù)?熱管數(shù)量和布局對(duì)散熱的影響?實(shí)驗(yàn)測(cè)試了散熱器在不同風(fēng)量,不同芯片發(fā)熱量下的散熱器各芯片的熱阻,以及散熱器的壓力損失?測(cè)試結(jié)果表明:散熱器的壓力損失隨風(fēng)量的增大而增加;熱管在H1發(fā)熱量為200W時(shí)仍能正常工作,使得散熱器能滿足更嚴(yán)苛的使用環(huán)境;在一定的發(fā)熱量下,各芯片的熱阻隨風(fēng)量的增大而減小,風(fēng)量越大,強(qiáng)制對(duì)流換熱越強(qiáng);在一定的風(fēng)量下,各芯片的熱阻隨發(fā)熱量的增大而減小,熱管的散熱作用越明顯?

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