來(lái)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(lái)二代芯片已逐漸獲得推廣和應(yīng)用，芯片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，單位時(shí)間所產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越多，芯片功耗也越來(lái)越高，能否將它們工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)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(duì)該高功耗型芯片散熱模組的相關(guān)熱設(shè)計(jì)問(wèn)題作一些分析，研究的是以一種高效傳熱器件 VC（Vapor Chamber，也稱(chēng)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(guò)仿真模擬，分析計(jì)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(mǎn)足高功耗二代芯片的散熱模組產(chǎn)品方案，并對(duì)產(chǎn)品公差、平面度等結(jié)構(gòu)要點(diǎn)作必要的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，為這一類(lèi)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)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?jī)?nèi)容

1.1 二代芯片模組熱設(shè)計(jì)方案說(shuō)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(jì)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(shuō)明。

2、二代芯片模組熱設(shè)計(jì)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L(zhǎng)374xW109*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(dòng)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(chǎng)，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(jì)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(jì)算，導(dǎo)入模型和邊界條件后的計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算沒(méi)有考慮芯片貼裝在線(xiàn)路板表面時(shí)部分熱流可以通過(guò)線(xiàn)路板表面消散一部分，所以實(shí)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?gòu)?3M/S 減為 1.5M/S。

5.3 模擬計(jì)算，導(dǎo)入模型和邊界條件后的計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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?gòu)?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(jì)算結(jié)果匯總

6.1 二代芯片模組熱設(shè)計(jì)方案說(shuō)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(jì)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(shuō)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(zhǎng)度控制 +/- 0.5mm；

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

7.3 VC 單體定位螺絲孔間距控制在 +/- 0.15mm 以?xún)?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(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)久運(yùn)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(xiǎn)。

8、結(jié)論

根據(jù)上述分析及計(jì)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(jì)的產(chǎn)品 Tj（模擬）=84.9℃<maxtj（芯片結(jié)溫允許最大值 88℃）< span>滿(mǎn)足二代芯片散熱需求；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為二代芯片散熱提供了一個(gè)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(mǎn)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(shì)；如果鋁鰭片也能滿(mǎn)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(jì)算溫度只比需求溫度低 1℃，安全系數(shù)較低，材質(zhì)替換時(shí)還需要進(jìn)一步的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)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(mǎn)足二代芯片散熱需求；根據(jù)此結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要求風(fēng)量風(fēng)速匹配達(dá)到 3M/S 左右，過(guò)多降低風(fēng)速會(huì)嚴(yán)重影響到產(chǎn)品性能，需要謹(jǐn)慎。

注釋?zhuān)篤C（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?cè)碇圃斓模梢詫?/span>熱量沿平面快速均勻傳達(dá)。

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