孫圣凱

【摘 要】芯片散熱器為芯片提供正常工作溫度，其性能直接影響芯片的工作效率及壽命。本文依據(jù)以某已知結(jié)構(gòu)的芯片散熱器，利用Workbench軟件對散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬、熱接觸設(shè)置、內(nèi)部生成熱以及熱對流的施加，快速、準(zhǔn)確得出相應(yīng)種類散熱器的穩(wěn)態(tài)熱分析，進(jìn)而得出其散熱性能，并加以比較。為設(shè)計研發(fā)及避免實(shí)際散熱器受損提供重要依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)態(tài)熱分析;芯片散熱器;模擬分析;不同材質(zhì)

中圖分類號： TK172文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

電子工業(yè)逐漸趨于集成化、一體化。近年來，國家把集成電路產(chǎn)業(yè)列為“十三五”期間重要的新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。芯片，也稱集成電路，普遍應(yīng)用于計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等重大領(lǐng)域，作用舉足輕重。芯片的性能主要體現(xiàn)在其運(yùn)算處理數(shù)據(jù)的速度及質(zhì)量，但好的芯片還應(yīng)具備較好的散熱性能，以保證芯片能以最佳運(yùn)行溫度進(jìn)行工作。諸多的電子產(chǎn)品以散熱片作為散熱冷卻的主要手段[1]。散熱器多由鋁合金、黃銅或青銅材料制成板狀、片狀、多片狀等。其在使用中要在電子元件與散熱片接觸面涂上一層導(dǎo)熱硅脂，使元器件發(fā)出的熱量更有效地傳導(dǎo)到散熱片上，再經(jīng)散熱片散發(fā)到周圍空氣中。

如今，電子設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，產(chǎn)生的熱量也越來越多。芯片溫度的控制至關(guān)重要， 對于穩(wěn)定持續(xù)工作的電子芯片， 最高溫度不能超過85℃[2]，過多的熱量會削弱這些設(shè)備的性能，甚至減少其使用壽命，則散熱器的重要性可見一斑。

1 穩(wěn)態(tài)熱理論

對于穩(wěn)態(tài)熱傳遞，表示熱平衡的微分方程為：

其對應(yīng)的有限元平衡方程為：[K（T）]{T}={Q（T）}，式中為熱傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射的形狀系數(shù)。為有限元節(jié)點(diǎn)的溫度向量，為節(jié)點(diǎn)的熱流率向量（包括熱生成）。

2 散熱器結(jié)構(gòu)

小型散熱器由金屬板料經(jīng)沖壓工藝及表面處理制成，大型散熱器由金屬材料擠壓成型材，再經(jīng)表面處理如電泳涂漆和黑色氧化極處理。若器件底面不絕緣，需要另外加云母片絕緣。其主要由鰭片及底座（板）組成，芯片則安裝在散熱器底部。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 散熱器分析模擬

3.1 模型簡化

為便于模擬分析和計算對芯片及散熱器進(jìn)行簡化，在Solid works建立模型，CPU尺寸高度2mm，寬度、長度均為20mm。發(fā)熱功率為1W。芯片本身與周圍的金屬盒和散熱器有能量的傳遞[3]。為便于比較不同材料散熱器散熱性能，初始設(shè)置散熱器材料為鋁合金。密度ρ=2.702×103，比熱容c=900J/（kg·K），鋁各向同性導(dǎo)熱率為隨溫度不斷變化的值，取在室溫22℃時導(dǎo)熱率λ約為148.83W/（m·℃）。

3.2 芯片散熱器網(wǎng)格劃分

圖2為芯片散熱器網(wǎng)格劃分模型，劃分時設(shè)置網(wǎng)格為強(qiáng)制六面體網(wǎng)格，控制網(wǎng)格密度為0.5mm。

3.3 散熱器內(nèi)部熱生成、熱對流的施加

在體熱生成率已知的范圍添加內(nèi)部熱生成，芯片發(fā)熱功率為1W，體積800mm3，對應(yīng)內(nèi)部熱生成為10/800=1.25e-2W/mm3，見圖3左。因散熱器鰭片部分受到風(fēng)扇對流作用遠(yuǎn)大于與CPU接觸的底面部分，因此在散熱器鰭片部分添加熱對流換熱系數(shù)，設(shè)置散熱對流系數(shù)為25W/m3·℃，見圖3右。

3.4 運(yùn)算分析及查看散熱效果

運(yùn)算結(jié)果后添加溫度后處理，其具體數(shù)值圖形如圖4所示。

4 更換散熱器材質(zhì)對芯片散熱影響

將散熱器材質(zhì)更改為結(jié)構(gòu)鋼（鐵）、銅合金。材料更換后重復(fù)3.1-3.4步驟，得出其余兩種材料散熱器散熱溫度分布。

理論分析材質(zhì)各向同性導(dǎo)熱率值，導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料物理性能不可或缺的一種基本熱物性參數(shù)，反應(yīng)材料的導(dǎo)熱性能[4]，若其值越高，材質(zhì)傳遞熱即散熱性能應(yīng)越好。比較圖表中各材質(zhì)散熱器溫度值，可清楚得知銅合金散熱性能最好，鋁合金次之。這與理論分析結(jié)果一致。故該分析方法結(jié)論正確。

5 結(jié)論

通過對芯片散熱器散熱性能分析，比較采用不同材質(zhì)散熱器的散熱性能情況。采用Solid Works建模、ANSYS Workbench軟件對散熱器各部件的穩(wěn)態(tài)熱模擬分析，正確比較出不同材質(zhì)散熱器散熱性能，同時也提出一種設(shè)計校驗(yàn)電子散熱器性能的新方法，為實(shí)際電子散熱器生產(chǎn)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邢菲，林吉靚.基于ANSYS的CPU散熱片的散熱及溫度場分析[J].機(jī)械工程師，2010（05）：67-68.

[2]劉芳，楊志鵬，袁衛(wèi)星，任柯先.電子芯片散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（23）：163-169.