电子芯片冷却仿真的2种方法比较

在设计散热器时，准确测量其冷却性能非常重要。通过模拟冷却系统中的热量传递过程，工程师可以计算电子元件的温度。不同的模拟方法会影响结果的准确性和计算效率。在这篇博客中，我们将比较2种模拟电子芯片冷却的方法，并在此过程中介绍 COMSOL Multiphysics^® 软件的一些新功能。这些新功能使建立散热器的几何结构变得更加简单。

电子设备散热器的优化设计

散热器可以驱散电子设备中的热量，它是 COMSOL 博客中的一个热门话题。随着科技的进步，散热器的重要性也日益凸显。由于电子设备的功能越来越强大，随之产生的热量也将增加，而热量会削弱这些设备的性能，甚至减少其使用寿命。

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。

我们可以使用 COMSOL Multiphysics 的传热仿真功能来分析散热器的冷却能力。COMSOL 软件灵活、易用，我们可采用多种方法进行分析。接下来，我们将以一个简单的电子芯片冷却为例，探讨其中两种方法。

使用 COMSOL Multiphysics^® 模拟电子芯片冷却

在演示的示例中，我们将模拟一块带散热器的电子芯片，它利用周围的流体（空气）进行冷却。我们使用了 COMSOL Multiphysics 的一个附加产品传热模块中的零件库内置的散热器几何零件建立模型。自 5.3 版本起，COMSOL 中就提供这些零件，它简化了散热器的几何建模流程。

更多详细内容，请查阅传热模块发布亮点。

示例中的模型由一块电子芯片和铝质散热器组成，其中散热器被安装在一个横截面为矩形的通道内，而电子元件消散了相当于 5W 的热量，这些热量分布在整块芯片体积中。

散热器（灰色）和电子芯片（紫色）的模型几何结构。

空气从入口（此处设定温度值）流入，穿过通道，最后从出口流出。这里，对流是热量传递的主要形式。在冷却空气中，热量通过传导和对流方式传递，而在电子元件和散热器中，热量以传导的方式传递。

在处理热敏厚层时，我们能够借助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，能够估计散热器的冷却能力，并预测电子元件的温度。接下来，我们将探究求解这个模型的两种方法，先从更高效的求解方法开始。

方法一：固体零件和对流冷却边界条件

对于第一种方法，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冷却边界条件，来代替计算风道内的流速、压力和温度。这样就能快速计算出结果。不过，计算的精确度取决于定义对流对流冷却边界条件的传热系数的可靠性。本例中，我们采用一个经验值 10 W/(m²·K)。

利用这种方法，我们对散热器和芯片之间热接触的三种设置进行了测试：

1. 理想接触
2. 空气层
3. 导热硅脂层

理想接触（左）、空气层（中）和导热硅脂层（右）设置的温度绘图。

与预期一样，理想接触对应的最高温度是三种设置中的最低值（约 84°C）。在模型中的散热器和芯片之间加入空气薄层后，最高温度几乎升至 95°C，通道冷却系统的性能下降。

我们可以通过将空气层替换成导热硅脂层，来降低热阻的影响。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。仿真结果预测出，导热硅脂层情况下的最高温度接近理想热接触的最高温度。由此，我们可以推断导热硅脂可以帮助优化散热器设计。

方法二：添加一个空气域

第二种方法是在模型中添加一个表示风道的域，计算成本较高。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。第二种方法比第一种方法更加通用，并且非常有用，这是因为传热系数通常是未知的。使用这种方法，不需要计算传热系数的近似值，也能精确地模拟气流冷却。

第二种方法的模拟结果显示，电子元件的最高温度约为 95°C。此外，散热器后出现的一条热尾迹代表它的对流冷却效果。第二种模拟方法也更加精准，例如我们可以预测面向和背向气流的翅片表面的温差，并将结果可视化。

散热器表面和风道壁上的温度场（左）。散热器翅片上的温差可视化绘图（右）。

我们可以通过修改模型来强化这一方法，用于分析较大的（接近 1）表面辐射率。在处理如此大的辐射率时，应该考虑表面对表面辐射，因此将其纳入仿真。这样做以后，最高温度降低至 81°C 左右，如下图所示。再次证实了当表面辐射率很大时，应该考虑辐射传热。

考虑了表面对表面辐射的温度场。

如上文所述，COMSOL Multiphysics 提供的便利功能使得采用不同的方法电子设备冷却分析成为可能。对于优化电子设备而言，电子设备冷却分析是散热器设计流程中的一个重要步骤。每种分析方法各有优点，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。

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