高速芯片模块热管散热器的数值传热分析

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1、万方数据第26卷第1期2004年1月南京工业大学学报JOURNALOFNANJINGUNⅣERSrrYOF’IECHNOLoGYVol26No．1Jan2004高速芯片模块热管散热器的数值传热分析陶汉中，张红，庄骏(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009)摘要：利用大型FEM软件ANSYS对某高速芯片模块的热管散热器进行仿真热分析，得出了相应的温度场分布图和热流密度分布图。结果表明：热管散热器能有效地降低高速芯片模块在使用时的温度，增加系统的可靠性，是高速芯片模块散热系统的一种新方法。关键词：高速芯片模块；热管散热器；仿真热设计；ANSY

2、S中圈分类号：TKl724文献标识码：A文章编号：1671—7643(2004)01一0068—05随着电子元器件的高频高速以及集成电路的高度密集和体积趋于微小化，使得单位容积的发热量急剧增加。传统的散热方式在传热量、体积、质量、冷却方式和外观等方面已不能满足要求⋯。热管作为一种高效的导热元件，自身具有安全、高效、可靠等优点，适台高热流密度情况下散热L2J。目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200W／c,n12_3J。可见，热管技术是解决高热流密度散热问题的途径之一。有限单元法(FEM)是随着计算机的发展而兴起的一种数值计

3、算方法。采用FEM计算的结果可“得到一些实验难以测量的结果，耗费的人力物力小，没计结果直观明了，信息量大，成为当今工程设计的主流方向。ANSYS是基于FEM的大型计算软件，在国内外的工程中得到了广泛的应用【4J。汁算结果比较可靠，图表简单易懂。本文将运用ANSYS软件针对某高速芯片模块研发的热管散热器进行仿真热分析，以计算热管散热器的性能。l理论分析1．1几何模型如图1所示，其中a为热管式散热器，b为普通翅片散热器。热管式散热器是由普通散热器上安装r带翅片的热管而构成。首先设定普通翅片式散热器的左下方靠近基板侧为坐标原点，坐标方向如图1b所示，厚度方向

4、为=方向，沿翅片纵向为Y方向。高速芯片模块基板是0．2xx0．25yx0．02z的矩形块。图1热管散热器的几何模型Fig1‰村*【ic出rr州d0fheatsinkW1mheatpipe区域nl、n2和如为发热元件的等效发热面，皿为连接导线等其它元件发热的等效发热面，其具体区域参数为：0．045≤*≤005510．08≤Y≤0．09}n1。：一o．001J0．095≤z≤0．1051o．08≤Y≤0．09}n2。：一0．oo!J0．145≤x≤O．15510．08≤Y≤0．09}喁=：一o．00】J收稿日期：2003Ol一17作者简介：陶汉中(1978

5、一)．男，i￡宁海城人，顾}，主要研究方向：热管技术及其应用。万方数据第1期陶汉中等：高速芯片模块热管散热器的数值传热分析0．095≤z≤0．10510．16≤Y≤O．17}z=一0．001J基板上翅片的尺寸是：所以运用数值方法一有限元法求解。04为了便于分析比较，同时计算了未加热管的散热器的热分析图。而≤。≤而

6、O≤y≤0．25i=0—20f450．02≤：≤0．05J其中i表示壁板翅片数。并保证在基板范围内。即当i=0时Ⅳ从0开始，而当i=20时，x到0．2结束。热管中心在基板上的位置为：(觜,0,0．01)和(‰挚,0,0．01)1哦n=0，1，

7、2n是热管数。热管半径为0．005(x—z平面)，长度是0．4(y方向)。热管上翅片的区域是：O≤Ⅸ≤0．2等警≤，≤3壁紫卜0~9—丌i丽一≤y≤—丌丽一‘3u’’一0．025≤o≤0．075i7是热管部分翅片数。1．2数学模型热管式散热器上翅片的材料为铜。热管的导热系数A定为加000W／(m·K)E6]。(1)无热管时的数学模型控制方程为：；a21T+窖+窖：o(1)0x‘j，o=相应的边界条件为：q=220000区域nl、Q、缟内(2)q=50000区域Q内(3)d=0基板==0面上(4)a=5区域g表面上(5)(2)热管散热器的理论模型热管散热

8、器的数学模型中，控制方程与(1)相同，边界条件除了式(2)～(5)外，另加热管部分的边界条件：口=0Y=0．25—0．3段热管的外表面(6)d=5r=0．3～0．4段外表面(7)控制方程(1)是标准的热传导拉普拉斯方程，在一些几何形状比较规则和特定的边界条件下可以有解析解[5]。但在本模型中，几何边界条件虽然都是由一些基本的几何形状组合而成，但计算解析解也是相当复杂的。并且在模型上的边界条件不统-～。2建模与加载基本模型如图la)所示，与实际的设计有所简化，但不影响计算分析结果。(1)将连接芯片模块之间的导线产生的热量简化成在平板中部的一个集中的发热块

9、上；(2)实际热管上部有一个90。弯，使翅片平行于重力方向，有利于自然对流。为了建模的方便和计