來源：深圳市三燁科技有限公司

作者：楊帆

摘要：隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，近年來二代芯片已逐漸獲得推廣和應(yīng)用，芯片的功能越來越強(qiáng)大，單位時間所產(chǎn)生的熱量也越來越多，芯片功耗也越來越高，能否將它們工作時產(chǎn)生的熱量及時并有效的散發(fā)出去，將直接影響芯片的工作性能、成本及可靠性，這就給芯片散熱管理提出了更高的要求。本文將對該高功耗型芯片散熱模組的相關(guān)熱設(shè)計問題作一些分析，研究的是以一種高效傳熱器件 VC（Vapor Chamber，也稱均溫板）為散熱模組的底板，匹配不同的散熱鰭片，建立散熱模組模型，通過仿真模擬，分析計算在不同材質(zhì)鰭片和不同風(fēng)速條件下的傳熱性能，研究得出滿足高功耗二代芯片的散熱模組產(chǎn)品方案，并對產(chǎn)品公差、平面度等結(jié)構(gòu)要點作必要的經(jīng)驗說明，為這一類產(chǎn)品的熱設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：二代芯片；散熱模組；仿真模擬；

1、研究內(nèi)容

1.1 二代芯片模組熱設(shè)計方案說明。

1.2 芯片模組熱分析結(jié)果。

1.3 相同條件，Cu Fin 改為 AL Fin 的計算結(jié)果。

1.4 使用 Cu Fin,風(fēng)速由 3M/S 減為 1.5M/S的結(jié)果。

1.5 產(chǎn)品公差，平面度等結(jié)構(gòu)說明。

2、二代芯片模組熱設(shè)計方案

2.1 模組可用的空間 尺寸，L374xW109xH33。

2.2 產(chǎn)品方案采用 VC 為底板，VC 尺寸為L374xW109*H3.5。

2.3 鰭片采用銅 Cu1020 材質(zhì)鰭片，尺寸L372.6xW109*H29.5；

鰭 片 Pitch=1.8；T=0.3mm；

鰭片數(shù)量：207PCS；沖壓工藝，自動扣合成一體式模組鰭片。

2.4 VC 和扣合鰭片采用低溫釬焊技術(shù)，把兩者焊接為一體。

3、模組熱分析

3.1 熱分析邊界條件。

3.1.1 模組可用的空間尺寸：L374xW109xH33。

3.1.2 熱源（相當(dāng)于芯片發(fā)熱）功率：180W/ 顆 x4 顆。

熱源尺寸：40.6mmx40.6mm（設(shè)定為面熱源）。

熱源分布：如圖一所示，以散熱模組居中排列。

3.1.3 設(shè)定空氣流速：3M/S。

3.1.4 設(shè)定環(huán)境溫度：45℃。

3.1.5 設(shè)定熱源與 VC 底殼間相變導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)：6.5W/M.K。

3.1.6 模擬芯片熱特性（模擬結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)）:MaxTj=88℃。Rj- Shell=0.1W/M.K。

3.2 模組的 VC 表面溫度場，如圖 2。

3.3 結(jié)果顯示 VC 下殼體同各芯片的接觸的區(qū)域中心溫度在 66.8℃，各芯片之間基本相同，熱分析結(jié)果良好。

4、相同邊界條件，Cu Fin 改為 AL Fin 的計算結(jié)果

4.1 維持 3.1 的熱分析邊界條件不變。

4.2 把扣合鰭片材質(zhì)從銅 1020 改為鋁 1100。

4.3 模擬計算，導(dǎo)入模型和邊界條件后的計算結(jié)果：

Maximum temperatures:

source.1           68.9962 ℃

source.1.1         68.9531 ℃

source.1.2          68.9773 ℃

source.1.3          69.0887 ℃

VC BOTTOM- SHELL.1    68.9002 ℃

4.4 根據(jù)熱分析結(jié)果，計算芯片節(jié)溫：

4.4.1 根據(jù) 4.3 模擬結(jié)果顯示：

4.4.1.1面熱源(相當(dāng)于芯片的封裝外殼上表面）的最高平均溫度為 Tshell=69℃。

4.4.1.2 實體芯片的結(jié)到殼的熱阻為：R（j- shell） 為 0.1W/M.K，則Δt( j- shell)=180x0.1=18℃。

4.4.2 根據(jù)以上結(jié)果，則在 45℃環(huán)境條件下，空氣流速3M/S，芯片的結(jié)溫 Tj：

Tj（模擬）=Tshell+ Δt( j- shell)=87℃

4.4.3 根據(jù)熱分析及計算結(jié)果，可得結(jié)論如下：

Tj（模擬）=87℃   

MaxTj（芯片結(jié)溫允許最大值）=88℃

Tj（模擬）<maxtj（芯片結(jié)溫允許最大值）< span>

扣合鰭片改為鋁鰭片后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)散熱性能符合芯片的散熱需求。

注：由于模擬計算沒有考慮芯片貼裝在線路板表面時部分熱流可以通過線路板表面消散一部分，所以實際使用中的芯片節(jié)溫應(yīng)該比模擬的節(jié)溫稍低。

5、使用 Cu Fin,風(fēng)速由 3M/S 減為 1.5M/S 的結(jié)果

5.1 維持 3.1 的熱分析邊界條件不變。

5.2 把設(shè)定風(fēng)速從 3M/S 減為 1.5M/S。

5.3 模擬計算，導(dǎo)入模型和邊界條件后的計算結(jié)果

Maximum temperatures:

source.1           81.9346 ℃

source.1.1        81.8642 ℃

source.1.2        81.905 ℃

source.1.3        82.0315 ℃

VC BOTTOM- SHELL.1     81.8429 ℃

5.4 根據(jù)熱分析結(jié)果，計算芯片節(jié)溫

5.4.1 根據(jù) 4.3 模擬結(jié)果顯示

5.4.1.1 面熱源(相當(dāng)于芯片的封裝外殼上表面）的最高平均溫度為 Tshell=81.8℃。

5.4.1.2 實體芯片的結(jié)到殼的熱阻為：R（j- shell） 為 0.1W/M.K，則Δt( j- shell)=180x0.1=18℃。

5.4.2 根據(jù)以上結(jié)果，則在 45℃環(huán)境條件下，空氣流速3M/S，芯片的結(jié)溫 Tj：

Tj（模擬）=Tshell+ Δt( j- shell)=99.8℃

5.4.3 根據(jù)熱分析及計算結(jié)果，可得結(jié)論如下：

Tj（模擬）=99.8℃     

MaxTj（芯片結(jié)溫允許最大值）=88℃

Tj（模擬）>MaxTj（芯片結(jié)溫允許最大值）

風(fēng)速從 3M/S 減為 1.5M/S，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)散熱性能已超溫較高，不符合芯片的散熱需求。

6、熱性能計算結(jié)果匯總

6.1 二代芯片模組熱設(shè)計方案說明(3M/S)

Cu 1020 FIN, Tj= 84.9℃, 符合要求 （Max Tj= 88℃）

6.2 同 1 相同條件，Cu fin 改為 AL Fin 的計算結(jié)果

AL 1100 FIN, Tj= 87℃, 符合要求（Max Tj= 88℃）

6.3 使用 Cu Fin, 風(fēng)速由 3M/S 減為 1.5M/S 的結(jié)果

Cu 1020 FIN, Tj= 100℃, 不符合要求（Max Tj= 88℃） 

7、產(chǎn)品公差、平面度、關(guān)鍵件 VC 等結(jié)構(gòu)特性說明

7.1 VC 單體外圍尺寸的寬度 +/- 0.30 mm，厚度公差可以控制在 +/- 0.25mm，VC 總長度控制 +/- 0.5mm；

7.2 VC 單體的整體平面度控制在 1.5mm, 4 個熱源局部區(qū)域（45X45）平面度控制在 0.07mm 以內(nèi)；

7.3 VC 單體定位螺絲孔間距控制在 +/- 0.15mm 以內(nèi)；

7.4 整體產(chǎn)品外圍尺寸的寬度 +/- 0.60 ，高度公差可以控制在 +/- 0.40，總長度控制 +/- 1.5；

7.5 考慮到產(chǎn)品的螺絲安裝后的緊張力度較大，單體 VC 會做表面硬化，避免 VC 的鎖螺絲耳位變形。如果必要，還可以在螺孔區(qū)域增加鋼板支架一體焊接成型，進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保 VC 表面和芯片良好接觸，長久運行不變形；

7.6 彈簧選用特殊鋼材質(zhì)和優(yōu)化的生產(chǎn)工藝，減少壓并的不可逆變形量，大幅度減弱因彈簧鋼性疲勞，鎖壓力度減弱，導(dǎo)致散熱性能下降，甚至失效的風(fēng)險。

8、結(jié)論

根據(jù)上述分析及計算結(jié)果，可以接到如下結(jié)論：

8.1 如 1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品 Tj（模擬）=84.9℃<maxtj（芯片結(jié)溫允許最大值 88℃）< span>滿足二代芯片散熱需求；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計為二代芯片散熱提供了一個新的方案選擇。

8.2 在同等結(jié)構(gòu)條件下，把 Cu Fin 改為 AL Fin

Tj（模擬）=87℃<maxtj（芯片結(jié)溫允許最大值 88℃）。< span>滿足二代芯片散熱需求；鋁扣合鰭片比銅扣合鰭片在產(chǎn)品成本、產(chǎn)品重量上更有優(yōu)勢；如果鋁鰭片也能滿足散熱需求，建議推薦使用鋁鰭片散熱器；但是由于鋁鰭片的計算溫度只比需求溫度低 1℃，安全系數(shù)較低，材質(zhì)替換時還需要進(jìn)一步的實際測試驗證。

8.3 在同等結(jié)構(gòu)條件下，風(fēng)速由 3M/S 減為 1.5M/S

Tj（模擬）=99.8℃ >MaxTj（芯片結(jié)溫允許最大值 88℃）已不能滿足二代芯片散熱需求；根據(jù)此結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品在實際應(yīng)用過程中，要求風(fēng)量風(fēng)速匹配達(dá)到 3M/S 左右，過多降低風(fēng)速會嚴(yán)重影響到產(chǎn)品性能，需要謹(jǐn)慎。

注釋：VC（Vapor Chambers）直譯叫蒸汽腔，業(yè)內(nèi)一般叫均溫板、均熱板、平面熱管，是利用液體低壓相變原理制造的，可以將熱量沿平面快速均勻傳達(dá)。

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