芯片散熱器的穩態熱分析

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。本文依據以某已知結構的芯片散熱器，利用Workbench軟件對散熱器進行結構模擬、熱接觸設置、內部生成熱以及熱對流的施加，快速、準確得出相應種類散熱器的穩態熱分析，進而得出其散熱性能，并加以比較。為設計研發及避免實際散熱器受損提供重要依據。

【關鍵詞】穩態熱分析;芯片散熱器;模擬分析;不同材質

中圖分類號： TK172文獻標識碼： 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

電子工業逐漸趨于集成化、一體化。近年來，國家把集成電路產業列為“十三五”期間重要的新型戰略性產業。芯片，也稱集成電路，普遍應用于計算機、網絡通信、汽車電子等重大領域，作用舉足輕重。芯片的性能主要體現在其運算處理數據的速度及質量，但好的芯片還應具備較好的散熱性能，以保證芯片能以最佳運行溫度進行工作。諸多的電子產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熱硅脂，使元器件發出的熱量更有效地傳導到散熱片上，再經散熱片散發到周圍空氣中。

如今，電子設備的功能越來越強大，產生的熱量也越來越多。芯片溫度的控制至關重要， 對于穩定持續工作的電子芯片， 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 穩態熱理論

對于穩態熱傳遞，表示熱平衡的微分方程為：

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

2 散熱器結構

小型散熱器由金屬板料經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。具體結構圖如圖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行簡化，在Solid works建立模型，CPU尺寸高度2mm，寬度、長度均為20mm。發熱功率為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），鋁各向同性導熱率為隨溫度不斷變化的值，取在室溫22℃時導熱率λ約為148.83W/（m·℃）。

3.2 芯片散熱器網格劃分

圖2為芯片散熱器網格劃分模型，劃分時設置網格為強制六面體網格，控制網格密度為0.5mm。

3.3 散熱器內部熱生成、熱對流的施加

在體熱生成率已知的范圍添加內部熱生成，芯片發熱功率為1W，體積800mm3，對應內部熱生成為10/800=1.25e-2W/mm3，見圖3左。因散熱器鰭片部分受到風扇對流作用遠大于與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，設置散熱對流系數為25W/m3·℃，見圖3右。

3.4 運算分析及查看散熱效果

運算結果后添加溫度后處理，其具體數值圖形如圖4所示。

4 更換散熱器材質對芯片散熱影響

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

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

5 結論

通過對芯片散熱器散熱性能分析，比較采用不同材質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態熱模擬分析，正確比較出不同材質散熱器散熱性能，同時也提出一種設計校驗電子散熱器性能的新方法，為實際電子散熱器生產設計提供可靠依據。

【參考文獻】

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

[2]劉芳，楊志鵬，袁衛星，任柯先.電子芯片散熱技術的研究現狀及發展前景[J].科學技術與工程，2018，18（23）：163-169.