1 引言

隨著芯片技術的發展,其集成度?尺寸以及性能不斷提高,不過,其熱耗散功率急劇增加,溫度過高是影響其使用性能和壽命的關鍵因素,散熱問題變得越來越重要?只有維持在合理溫度范圍內使用才能保證其正常運行?

這里對芯片用熱管散熱器進行散熱設計?采用商用CFD軟件對熱管散熱器進行了數值計算和優化分析,并對熱管散熱器進行了實驗測試,最終設計出一款符合散熱性能要求的熱管散熱器?

2 數值分析過程

2.1問題描述

這里所設計的散熱器尺寸為寬156mm,長170mm,高26.5mm,其上面裝有6個芯片,需要散熱,芯片發熱量和散熱要求各不同,詳細信息見表1?其中,P為發熱量;Rs為要求熱阻;ΔTs為要求溫升?強制風冷風量為76.5m3/h,要求設計的散熱器壓力損失小于180Pa,假定環境溫度為40單個芯片熱阻=單個芯片對應的散熱器底面的溫升/單個芯片發熱量?

2.2物理模型

由于設計的散熱器相對規則和簡單,可直接在CFD軟件內建立散熱器的三維模型?簡化芯片熱源為均勻的平面熱源?根據芯片發熱量和熱阻要求,設計了不同參數的翅片組?圖1為散熱器的三維CFD模型?三維模型完成后,進行網格劃分?然后根據問題描述里的信息設定邊界條件,進口邊界為恒定風量入口,出口邊界相對靜壓為0Pa?操作壓強為一個標準大氣壓?設定收斂殘余值,當所有參量的殘余誤差小于或等于設定值時,計算收斂并結束計算?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如下所述?方案l釆用了3種不同參數的翅片組,翅片高21.5mm?其中,翅片組1:翅片厚0.2mm,長35mm,間隙1.06mm,翅片數96;翅片組2:翅片厚0.2mm,長122.5mm,間隙1.61mm,翅片數67;翅片組3:翅片厚0.2mm,長122.5mm,間隙1.06mm,翅片數29;熱管:4根,直徑6mm,管殼材料為紫銅,工質為蒸餾水,熱管的吸液芯結構為燒結式?方案2采用了2種不同參數翅片組,翅片高21.5mm?其中,翅片組1:翅片厚0.2mm,長40mm,間隙1.73mm,翅片數63;翅片組2:翅片厚0.2mm,長98mm,間隙1.14mm,翅片數117;熱管:3根,直徑6mm,管殼材料為紫銅,工質為蒸餾水,熱管的吸液芯結構為燒結式?

對于強制對流散熱器,3種傳熱方式中的導熱和對流換熱占主導,輻射換熱可忽略?在設計優化散熱器中主要考慮如何增強導熱和對流換熱?采用高導熱系數的材料或通過局部嵌入高導熱部件增強導熱?考慮導熱性能和材料成本,這里設計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?熱管的超熱導性在電子芯片的散熱中得到了廣泛應用?由于芯片小,熱源集中,通過熱管將熱量擴散到散熱器的其他區域,然后熱量傳導到跟底座焊接在一起的翅片上,翅片跟空氣間存在強制對流換熱,從而熱量被帶走,降低了散熱器和芯片的溫度?為了強化對流換熱,盡可能增加散熱器的換熱面積,特別是局部熱量集中區域,采用了不同翅片參數的翅片組,并在翅片組間增加了間隙,杜絕翅片組間的導熱傳熱,減小不同芯片間的傳熱影響?

2.3數值計算結果及分析

方案1采用了3種不同參數的翅片組,4根熱管,計算結果見圖3?圖3顯示了散熱器底板的溫度分布,溫度最高點發生在最大發熱量的芯片H1上,H1的測點溫升為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設計的散熱器的散熱性能剛好達到所要求的散熱能力?為了增加余量,需要進一步優化分析?根據溫度分布,需要調整熱管的布局,將中心芯片H1的熱量更好地傳導到散熱器的其他區域?根據壓力損失,需要調整翅片間隙和長度,來降低壓力損失,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,重新進行了布局,計算結果如圖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算結果總結,經對比發現:在散熱性能方面,方案2要優于方案1,方案2的成本要比方案1的成本低?所以選定方案2為最終設計方案?

3 實驗分析

對設計的方案2熱管散熱器制作了樣品并進行了不同工況下的實驗測試?由于芯片發熱面積小,用陶瓷加熱片來模擬芯片發熱?由于芯片H2,H3,H4的發熱量相同,H2,H3,H4合用一個輸入電源來控制其發熱量;H5,H6的發熱量相同,H5,H6合用一個輸入電源來控制其發熱量;HI用一個輸入電源來控制其發熱量?在每個芯片下凸臺內中心位置預留了孔來安裝熱電偶,用以測量每個芯片散熱器上的溫度?該實驗在風洞實驗臺上完成,風洞實驗臺主要由風機?豎直風道?控制系統?測量儀表?輸入電源等組成?

測試了在散熱器上6個芯片發熱量一定(H1:180W,H2,H3,H4:20W,H5,H6:16W),風量為17-102mVh下的熱阻和散熱器壓降,測試結果如圖5所示?各芯片在發熱量一定的情況下,熱阻隨風量增大而減小,這是因為風量越大,熱管散熱器的對流換熱越強,散熱器的換熱性能越好?不過散熱器的壓降隨風量增加而增大?

測試了在風量為76.5m3/h,芯片HI發熱量為180W,芯片H2,H3,H4發熱量為8-28W,芯片H5,H6發熱量為3-18W的情況下,各芯片的熱阻值,測試結果如圖6所示?芯片H2-H6的熱阻隨發熱量的增大而減小,這是因為熱管正常工作并隨熱量增大其傳熱能力增強,所加的熱量還沒有達到熱管最大能攜帶的熱量?

測試了在風量為76.5m3/h,Hl發熱量為75-225W,H2,H3,H4發熱量為20W,H5,H6發熱量為16W的情況下,HI的熱阻值,測試結果如圖7所示?當發熱量小于150W時,H1的熱阻隨發熱量增大而減小;當發熱量為150-225W時,熱阻保持不變?這是因為:在H1發熱量小于150W時,熱管的傳熱能力隨熱量增加而增強,到了150W熱能力達到最好?H1發熱量為225W時,熱管仍然能正常工作,沒有失效?

4 實驗結果和數值計算結果對比分析

表3為實驗結果和數值計算結果對比總結?由表可知:設計的熱管散熱器較好地滿足了使用要求,兼顧了6個芯片的不同散熱要求?數值計算結果與實驗結果接近,相對誤差在可接受范圍內?數值模擬方法在散熱器設計中起著重要作用,可節省設計時間和設計成本,為其他的熱管散熱器設計提供借鑒意義?

5 結論

這里對6個芯片散熱合用的熱管散熱器進行了設計和優化分析,并進行了實驗測試?數值模擬分析了不同翅片參數?熱管數量和布局對散熱的影響?實驗測試了散熱器在不同風量,不同芯片發熱量下的散熱器各芯片的熱阻,以及散熱器的壓力損失?測試結果表明:散熱器的壓力損失隨風量的增大而增加;熱管在H1發熱量為200W時仍能正常工作,使得散熱器能滿足更嚴苛的使用環境;在一定的發熱量下,各芯片的熱阻隨風量的增大而減小,風量越大,強制對流換熱越強;在一定的風量下,各芯片的熱阻隨發熱量的增大而減小,熱管的散熱作用越明顯?

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