比较两种模拟电子芯片散热的方法

Caty Fairclough 2017年 8月 2日

在设计散热器时,准确测量其散热能力具有重要的意义。我们可以通过模拟散热系统中的传热现象,计算出电子元件的温度。不同的模拟方法会影响结果的准确性和仿真的效率。在本篇博客文章中,我们将比较两种模拟分析电子芯片散热的方法,并在此过程中介绍 COMSOL Multiphysics® 软件的新特征。借助 COMSOL 软件的新特征,创建散热器几何将变得更加简单。

改良电子设备散热器的设计

在“COMSOL 博客”中,散热器在电子设备中的散热是一个热门话题。如今,电子设备的功能越来越强大,产生的热量也越来越多。热量会削弱这些设备的性能,甚至减少使用寿命。随着科技进步,散热器的重要性也日益凸显。

heat sink on motherboard 比较两种模拟电子芯片散热的方法
主板上的散热器。图像由 Adikos 拍摄,已获 CC BY2.0 许可,通过 Flickr Creative Commons 共享。

我们使用了 COMSOL Multiphysics 的传热建模功能对散热器的散热能力进行了分析。得益于软件出色的灵活性,我们可采用多种分析模拟方法。在下文中,我们将以电子芯片散热为简单示例,探讨其中两种方法。

使用 COMSOL Multiphysics® 模拟电子芯片散热

在演示示例中,我们将模拟一块带散热器的电子芯片,散热器利用周围的流体(空气)实现冷却。当创建模型时,我们使用“传热模块”的“零件库”提供的散热器几何零件,“传热模块”是 COMSOL Multiphysics 的一个专业模块。5.3 版本发布了一系列零件,简化了散热器的几何建模流程。

更多细节请查阅“传热模块”发布亮点

在本例中,模型包含一块电子芯片和铝质散热器。散热器安装在一个横截面为矩形的通道内。电子元件消散了相当于 5W 的热量,而热量分布在整块芯片体积中。

heat sink and electronic chip geometry 比较两种模拟电子芯片散热的方法
散热器(灰色)和电子芯片(紫色)的模型几何。

空气从入口(温度恒定不变)流入,穿过通道,最后从出口流出。因此,对流是热能传递的主要形式。在冷却空气中,热能以传导和对流的组合方式进行传递,而在电子元件和散热器中,热能只能以传导的方式传递。

在处理热薄层时,我们可以利用模型计算出多个元件之间的热平衡,并找到芯片和散热器之间的热接触影响因素。通过求解模型方程,我们能够估计散热器的散热能力,并预测电子元件的温度。在下文中,我们将探究两种求解此类模型的方法,先从计算效率更高的方法开始。

方法一:固体零件和对流散热边界条件

针对第一种方法,我们只模拟了固体零件,并且在散热器的边界上应用了对流散热边界条件,而未计算风道内的流速、压力和温度。这样能够快速计算出结果。不过,计算的精确度取决于用于定义对流散热边界条件的传热系数的可靠性。在本例中,我们采用了经验值 10 W/(m2·K)。

利用此方法,我们为散热器和芯片之间的热接触测试了三种配置:

  1. 理想接触
  2. 空气薄层
  3. 导热硅脂薄层

temperature plots for electronic chip cooling 比较两种模拟电子芯片散热的方法
理想接触(左)、空气层(中)和导热硅脂层(右)配置的温度绘图。

不出所料,理想接触对应的最高温度是三种情况中的最低值(约 84°C)。在模型中的散热器和芯片之间加入空气层后,最高温度升高至近 95°C,致使散热系统的性能下降。

我们可以将空气层替换成导热硅脂层,借此降低热阻的影响。导热硅脂层改善了散热器底部和电子芯片顶部之间的热接触状况。仿真结果预测了在使用导热硅脂的情况下,最高温度接近理想热接触的最高温度。根据这一点,我们可以推断导热硅脂有利于改进散热器设计。

方法二:加入空气域

第二种方法是在模型中添加一个表示风道的域。这种方法会大幅增加计算成本。在假定风道内是非等温流动的前提下,我们可以利用此域计算出空气的温度和流场。第二种方法比第一个更加通用,这对于用户十分有利,这是因为传热系数往往是未知条件。利用这种方式,我们不需要计算传热系数的近似值,也能精确地模拟气流散热。

第二种方法的结果显示了电子元件的最高温度约为 95°C。此外,散热器后出现了一条热尾迹,表现了它的对流散热效果。第二种建模方法也更加精准,例如我们可以绘制并预测面向和背向气流的翅片表面的温差。

temperature field on channel walls and heat sink surface 比较两种模拟电子芯片散热的方法
temperature difference heat sink fin 比较两种模拟电子芯片散热的方法

散热器表面和风道壁上的温度场(左)。翅片上温差的可视化绘图(右)。

我们可以通过修改模型来加强这一方法,以便分析较大的(接近于 1)表面辐射率。在处理如此大的辐射率时,我们应当考虑到表面对表面辐射,将其引入仿真。这一做法使最高温度降低至约 81°C,如下图所示。仿真结果再次证实了当表面辐射率很大时,应该考虑辐射传热。

surface to surface radiation electronic chip cooling model 比较两种模拟电子芯片散热的方法
引入了面-面辐射的温度场。

正如上文所述,为了优化电子设备,分析电子散热是散热器设计流程中的重要一环,COMSOL Multiphysics 提供的内置工具让采用不同的方法来分析电子散热成为了可能。每种建模方法拥有各自的优点,您可以根据自身需求,选择计算效率更高或者精度更高的方法。

学习更多有关散热器建模的知识


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