用Icepak熱分析軟件對散熱器進行熱設計

陳斯文，呂夢琴，吳 潔

（1.海軍駐南京地區電子設備軍事代表室，南京 210039；2.中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016；3.江西機電職業技術學院，南昌 33013）

0 引 言

隨著電子元器件功率密度的不斷增加、設備的小型化發展，溫度已經成為影響其可靠性的主要因素。電子設備不斷向高功率、高密度的方向發展，如果高功耗元器件的熱量不能及時散發出去，會導致電子設備可靠性降低，這就要求對工作溫度有較高要求的電子設備進行結構熱設計［1］。為了改善散熱性能，通常采用散熱器傳熱。傳統的散熱器設計方法是首先進行理論計算，再借鑒工作經驗略加改進，基本沿用舊的結構。這樣的散熱器結構往往體積大、質量重、散熱效果差。用Icepak軟件設計的散熱器體積、質量、散熱均改善，研制周期短，可靠性高。

1 散熱器的傳熱方式

散熱器的傳熱方式包括3種：結構內部的導熱傳熱、與周圍空氣的對流傳熱、輻射傳熱。

導熱傳熱存在于固體、液體和氣體中，但是導熱機理不相同。金屬導體中靠自由電子的運動，非導電固體中靠晶格結構的振動；液體中主要靠彈性波的作用；氣體導熱是由于氣體分子互相碰撞引起的。固體導熱服從傅里葉傳熱定律，穩定態熱傳導方程為：

式中：Φ為熱流量；λ為材料的熱傳導系數；A為與熱量傳遞方向垂直的面積；T H和T H分別為高溫面和低溫面的溫度；δ為2個面之間的距離。

固態的導熱傳熱能力主要由材料的熱傳導系數決定，熱傳導系數越高，傳熱能力越強。導熱傳遞的熱量和熱傳導系數、面積、溫差成正比。電子產品的散熱器通常采用鋁合金或者無氧銅等導熱性能好的金屬材料，雖然銅的導熱系數比鋁高，但因鋁比銅輕且價格低，故采用鋁質的散熱器［2］。

對流傳熱是流體流過固體表面時，二者具有不同溫度時發生的熱交換過程，分為自然對流和強制對流。對流散熱符合牛頓冷卻公式：

式中：Ф為熱流量；α為對流換熱表面傳熱系數；A為換熱面積；Δt為流體和壁面的溫差。

由牛頓冷卻公式可以看出，對流傳遞的熱量與傳熱系數、換熱面積、溫差成正比。對流傳熱分為自然對流和強迫對流。自然對流是由于流體冷熱密度不同而產生的，如散熱器放置在地面自然空氣環境中的傳熱屬于自然對流散熱。強迫對流是指由于外力迫使流體流動來傳熱，如風扇吹散熱器冷卻，屬于強迫對流散熱。當散熱器在自然空氣對流環境下不能滿足溫度要求時，采用風扇，進行風冷強迫對流散熱，增強散熱能力。

對流換熱表面傳熱系數與多種參數有關，與結構的特征尺寸、流體速度、流體質量流速、流體比定壓熱容、流體動力黏度、流體導熱系數、流體運動黏度、流體的體膨脹系數、重力加速度、流體熱擴散系數、流體與壁面的溫差有關。在考慮對流傳熱系數時，傳統的手動理論計算方法帶來很大的誤差。有些熱分析軟件，在熱仿真時對流傳熱系數手動設置，這樣也會帶來誤差。但采用Icepak熱分析軟件進行熱仿真時，軟件自動計算出傳熱系數，誤差小，提高了仿真溫度的準確度。

輻射傳熱是物體以電磁波形式傳遞能量的過程，熱輻射能夠在真空中傳遞能量。輻射能量交換服從斯蒂芬玻爾茲曼定律：

式中：Q為表面i和j之間輻射傳熱量；Ai為表面i的面積；εi為表面i發射率；Bij為表面i和表面j之間的輻射交換系數；σ為玻爾茲曼常數 （該常數的值約為5.67e－8 W／（m2·k4）；Ti為表面i溫度；T j為表面j溫度。

導熱和對流傳遞的熱量和溫差成正比，熱輻射傳遞的熱量和溫度的4次方差成正比。增加輻射散熱，需要增加輻射表面積，提高表面發射率。散熱器的表面處理能夠改善發射率，磨光的鋁表面發射率比較低，氧化的鋁表面較高，油漆表面的發射率最高。對散熱器表面進行涂漆處理，增加表面發射率，改進輻射傳熱能力。

導熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱3種方式傳遞的熱量均與面積成正比。導熱傳遞的熱量與傳遞方向垂直的面積成正比，對流和輻射傳遞的熱量與表面積成正比。對于肋片散熱器，增加肋片的數量，對流和輻射的表面積也隨之增加，增強了散熱能力。

2 散熱器的熱設計

用Icepak熱分析軟件進行散熱器仿真時包括幾個步驟：建立熱分析模型、劃分網格、選擇分析類型、施加邊界條件和載荷、求解。調用軟件庫中的散熱器部件，設置材料屬性、基板厚度、肋片厚度和肋片數量。分析類型選擇穩態溫度分析，邊界條件為自然空氣對流和輻射散熱，載荷為熱源的功耗，計算仿真結果。

2.1 散熱器金屬材料的選擇

在設計散熱器時首先考慮結構尺寸，體積越大越利于散熱，但是散熱器所占據的空間和質量會受到限制。散熱器設計原則為在給定結構尺寸后，質量小、溫度最低、滿足機加工的要求。散熱器的材料應選擇熱傳導系數高的金屬材料，一般采用鋁合金。如果鋁合金散熱器的散熱能力不能滿足熱設計要求，可以做成鋁鑲嵌銅塊的散熱器或者銅散熱器。但是對于結構比較大的盒體，在進行熱設計的時候還要兼顧結構的抗力學環境設計和減重設計。銅的散熱性能優于鋁，但銅密度大，導致盒體的質量增加，不利于減重。另外銅比鋁的強度低，盒體結構的安全裕度比較低，抗振動、沖擊能力差，可能導致結構損壞。結構尺寸比較小的盒體可以適當考慮采用銅材料，但對于結構尺寸大且抗力學環境設計要求比較高的盒體盡量避免采用銅材料。

2.2 散熱器肋片的方向選擇

在自然對流散熱時，重力加速度的方向對溫度有較大的影響。設計散熱器時要考慮重力加速度的方向，熱空氣垂直地面上升，如果空氣能順利通過散熱器肋片的間隙，更利用散熱。在設計靠自然對流散熱的散熱器時，應首先考慮散熱器的裝配方向以決定散熱肋片的走向，其次要考慮散熱器的基板厚度、肋片厚度、肋間距。

仿真重力加速度對散熱的影響，建立模型，在散熱器上裝配熱源，散熱器結構尺寸為70 mm×50 mm×30 mm，鋁合金材料，熱源功耗為3 W。散熱器的結構、熱源功率、散熱環境3種條件均保持不變時，表1列舉了環境溫度為20℃、自然對流散熱時散熱器肋片方向對散熱效果的影響數據。

表1 自然對流散熱時、重力加速度方向對散熱效果的影響數據

圖1為自然對流散熱時散熱器不同放置方向時的溫度分布。圖1（a）為散熱器垂直放置，肋片走向平行于重力方向；圖1（b）為散熱器水平放置，肋片走向垂直于重力方向；圖1（c）為散熱器水平放置，肋片走向垂直于重力方向。由此可見，在自然對流散熱時，散熱器垂直放置，散熱器肋片走向平行于重力加速度方向時散熱效果最好。

2.3 散熱器基板厚度的優化設計

散熱器基板厚度對散熱效果有很大的影響，當熱源功耗比較大時，基板的厚度相應增加，基板從熱源吸收足夠的熱量向整個基板傳導，再通過肋片散熱到周圍空氣。散熱器結構尺寸為70 mm×50 mm×30 mm，熱源功耗為10 W。表2為散熱器結構尺寸、肋片厚度、肋片間距保持不變時基板厚度和溫度關系數據。

當基板厚度為0.5 mm時，熱源溫度為84.5℃。隨著基板厚度的增加，溫度急劇下降，當基板厚度為1.5 mm時溫度為77.4℃?；搴穸仍黾恿? mm，溫度下降為7.1℃。當基板厚度由1.5 mm增加為7 mm時，熱源溫度變化緩慢。基板厚度繼續增加，溫度以較快的速度反而上升。由此可見，當設計散熱器時，基板厚度如果太薄，則溫度太高，散熱效果差。如果基板太厚，不僅冷卻效果差，而且質量太重。當基板的厚度為一最佳數值時，熱源溫度最低，質量較小。

圖1 散熱器不同方向放置時的溫度分布

2.4 散熱器肋片厚度、肋間距的優化設計

設計散熱器的原則是散熱器肋片高度比較小時肋片要薄而密，高度比較大時肋片要略厚而疏。當散熱器的結構尺寸確定后，改善制冷效果需要增加散熱表面積，減小肋片厚度，增加肋片數量。每增加1個肋片，則增加1個肋片表面積的散熱面，但是當肋片的數量增加到一定數量時，散熱能力增強速度變緩慢，再繼續增加肋片數量，不僅增加了質量，增加了加工難度，而且減弱了散熱能力。肋片的數量有一個最佳數值，需要用專門的熱仿真軟件進行優化得到。如果散熱器肋片的高度比較小，肋片厚度比較大，在肋片間距固定的情況下肋片的數量減少，散熱表面積減少，傳熱效果變差，并且增加了散熱器的質量。當散熱器的肋片高度比較大時，如果肋片比較薄，熱量聚集在肋片的根部，熱量要傳導到肋片末端熱阻比較大，影響散熱效果。散熱器肋片的厚度和肋間距（肋片數量數量）最佳時散熱效果最好，溫度最低，用Icepak軟件優化得到優化數據。

表2 散熱器基板厚度和溫度關系數據

如果散熱器的結構尺寸已經確定，優化散熱器的肋片厚度和肋片間距，使熱源的溫度最低，設計肋片的厚度時還要考慮加工能力。下面的實例為散熱器結構尺寸為70 mm×50 mm×30 mm、功耗為10 W、自然對流散熱時的散熱器優化結果。

表3 散熱器肋片厚度、肋片個數的優化結果

表3中，當散熱器的肋片厚度為2 mm、肋片為7片時溫度最低，當肋片數量增加到15片時，溫度最高。肋片太密集不僅減弱了散熱效果，而且增加了機加工的難度，質量也增加了，所以不是肋片越多越好。自然對流冷卻時，溫度邊界層比較厚，如果肋片間距太小，2個肋片的熱邊界層發生交叉，影響肋片表面的對流。當散熱器的肋片厚度為1 mm、肋片為10片時溫度最低。比較2種肋片厚度時的散熱效果，當散熱器肋片厚度為2 mm、肋片數量為7個時的溫度為76.7℃；當肋片厚度為1 mm、肋片數量為10片時的溫度為74.9℃。兩者溫度比較接近，兼顧機加工能力和質量選擇肋片厚度和數量。

3 測試結果和討論

為驗證仿真的正確性進行試驗。用ICEPAK熱分析軟件仿真散熱器結構尺寸為100 mm×80 mm×30 mm、基板厚度為2 mm、肋片厚度為2 mm、肋片數量為8個（即肋間距為8 mm）、6個熱源裝配在散熱器的基板上。圖2（a）為熱源裝配位置，圖2（b）為散熱器的仿真溫度分布。

從圖2（b）可以看出，裝配在散熱器一角的熱源溫度比較高，由于熱源的熱量首先以導熱傳熱的方式傳遞到基板和肋片，然后通過基板和肋片的外表面的對流傳熱和輻射傳熱把熱量散發到周圍的空間。在設計散熱器時，盡量把熱功耗大的熱源裝配在散熱器基板的中心位置，熱源分布均勻，使熱源的溫度最低。

圖2 散熱器的熱源分布和溫度分布

在試驗中用點溫度計測試溫度，表3為環境20℃時仿真溫度數據和測試數據。仿真數據與測試數據一致，仿真數據準確可靠。熱源的溫度誤差分析：（1）散熱器模型誤差，仿真時所建立的模型是理想模型，而實際加工時可能有機械誤差；（2）散熱器材料熱傳導系數引起的誤差，仿真時調用軟件庫中的材料屬性，不同批次金屬材料的熱傳導系數有所差異；（3）測試誤差，測試過程中采用點溫度計進行監測，監測點可能偏離了最高溫度位置，點溫度計本身也存在測量不確定度［3］。

表4 散熱器仿真溫度數據和試驗測試數據

4 結束語

在設計散熱器時，選擇熱傳導系數高的金屬材料，在自然對流環境下應考慮肋片的方向，以利于空氣的流動。對于給定結構尺寸的散熱器，優化基板厚度、肋片厚度、肋片間距，還要考慮散熱器的機加工能力，確保熱源的溫度最低，質量較輕，散熱器的冷卻效果最佳。用ICEPAK CFD熱分析軟件對散熱器進行熱仿真和優化，仿真數據和試驗數據一致，降低了研制成本，縮短了研制周期。

［1］邱成悌，蔣金興.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2005.

［2］余建祖，高紅霞.電子設備熱設計及分析技術［M］.南京：北京航空航天大學出版社，2008.

［3］李勤建，高翠琢.發射組件強迫風冷系統的熱設計［J］.半導體技術，37（9）：730－733.