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高功率芯片的新型水冷散热板结构仿真分析

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0 引言

随着科技的发展,各种电器功能的不断增强,对芯片的功率要求越来越高,而传统结构的水冷板已经不能将芯片的热量有效地散出去,只能不断增加水冷板的体积和重量,导致水冷板搬运困难,影响了电器的整个使用过程。例如最近几年应用较多的激光器,由于市场需求扩大,特别是医学上的普遍应用,不断要求大功率的激光器面世,而散热就是一个亟待解决的问题。

基于市场形势所趋,开发一种体积小、散热能力强的新型散热板迫在眉睫。为此,本文在传统水冷板结构基础上设计了一种新型的水冷板结构,并对这种新型水冷板结构零件的组装进行分析,确定了易于加工和易于组装的结构方案;之后采用Flotherm软件对三种结构的水冷板进行有限元仿真,比较了在芯片发热和水冷板散热达到热平衡后水冷板的温度,并通过试验验证了新型结构的水冷板比其他结构的水冷板散热能力更强。

1 水冷板结构

1.1常规水冷板结构

常规的水冷板由铝板和无氧铜加工和镶嵌共同完成,然后再通过打磨或者飞面的工艺处理,使得整块水冷散热板形成一个平整的平面,使用一段时间后,镶嵌处缝隙变大,使得铜管与铝板融合的平面度降低,影响散热性能。常规水冷板结构如图1所示。

该结构只适合功率几十瓦的芯片散热使用,如今很多芯片为了满足实际使用要求,体积越来越小、功率越来越大,热量很集中,因此迫切需要一种散热能力强的水冷板来辅助散热,以达到芯片的正常使用功能。

1.2新型水冷板结构

新型水冷板采用无氧铜材料加工,其散热性能远远超过铝合金,但是由于无氧铜材料本身基材比较软、易腐蚀,因此采用整体机加工完成,并在表面镀镍,以增加其抗腐蚀性能,从而提高了使用的可靠性。图2为该新型水冷板的结构,由主体、进水口、出水口和O形密封圈组成。由图2可以看出,新型水冷板主体结构加工简单,设计合理,整体加工能完全避免由焊接工艺或镶嵌工艺导致的多零件组装出现的问题,平面度易保证,使用寿命更长。进水口和出水口分别用螺钉连接到主体结构上,通过O形密封圈密封以避免使用过程中漏水现象的发生。

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密封圈的设计和选用非常重要,密封圈一般选用橡胶材质,有一定的压缩量与拉伸量,密封沟槽的设计影响了密封圈的使用寿命。密封沟槽设计包括形状、尺寸、精度和表面粗糙度等,沟槽设计时需保证易加工、易安装密封圈等,具体设计标准可参照国标GB3452.1内对O形密封圈设计的规定。

2 有限元分析

2.1Flotherm热分析

Flotherm软件是采用成熟的CFD(计算流体动力学)和数值传热学仿真技术开发的。Flotherm软件是基于有限单元法,将原来在时间域和空间域上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值。热分析模块是Flotherm软件的核心模块,可以实现建立模型、加载边界条件、求解计算、可视化后处理和分析报告等基本功能,并可以完全满足系统级、板和组件级到封装等各种层次的分析要求。

Flotherm软件是专门的电子设备热设计软件,可以在其内对散热器进行建模,并利用其数字风洞技术计算流阻,对包含散热器的整个电子设备系统进行分析,对复杂形状的散热器进行设计与优化。

2.2模型建立

采用Flotherm软件对三种不同结构的水冷板建立有限元模型,如图3所示,其参数设置如表1所示。三种不同结构的水冷板分别命名为A(新型结构)B(常规结构)C(常规结构),4~6分别为A型、B型、C型结构水冷板。B型结构和C型结构都是市场上常规水冷板设计结构的简化模型,其区别是水冷管路的走向不同,在有限元建模中建立了这两种常规水冷板结构并做散热比较,后面试验过程中也对这两种水冷板结构进行散热试验比较。

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2.3有限元分析结果

基于上述建模,对三种不同结构的水冷板在不同功率的芯片条件下进行有限元分析,工况如表2所示。

在芯片功率分别为100W500W1000W的条件下,三种结构的水冷板分析结果分别如图7~9所示。

由上述分析结果可以将数据归纳到表3,由此可以得出如下结论:

(1) 相同体积的水冷板,不同的结构设计,其散热能力不同。

(2) 相同工况条件下,A型结构的水冷板温度最低,其散热能力最强。

(3) 在芯片功率比较低的情况下,A型结构与B型、C型两种结构相比,其散热能力稍微有提升,而随着芯片的功率增大,A型结构的散热能力远超过B型和C型结构的散热能力。

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3 试验结果

对三种结构的水冷板分别在20℃恒温箱内做试验,试验过程如图10所示。工况与有限元分析的工况一致,通过改变芯片电流和芯片数量,达到芯片功率的要求。试验结果如表4所示。

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比较试验结果与有限元分析结果,可以得出以下结论:

(1) 相同体积的水冷板,不同的结构设计,其散热能力不同,与有限元分析结果一致。

(2) 在同工况条件下,A型结构的水冷板温度最低,其散热能力最强,与有限元分析结果一致。

(3) 在芯片功率比较低的情况下,A型结构与B型、C型两种结构相比,其散热能力稍微有提升,而随着芯片的功率增大,A型结构的散热能力远超过B型和C型结构的散热能力,与有限元分析结果一致。

(4)在同工况条件下,水冷板通过试验得到的温度普遍高于有限元分析的结果数据,这可能是由于温控箱温度控制精度比较差导致的。

4 结论

本文采用有限元建模和试验方法,对新型结构的水冷板进行散热能力分析,得到一致结论,在同工况条件下,芯片功率越高,新型结构水冷板的散热能力越强。说明这种新型水冷板适合高功率芯片的散热,值得在某些生产高功率芯片的企业内推广。

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