-
Русский
- sc@bquq.cn
Отправной точкой проектирования радиатора обычно служит схема сети тепловых сопротивлений. Путь тепла от кристалла чипа до окружающего воздуха разбивается на участки: от кристалла к корпусу (Rθjc, внутреннее сопротивление корпуса чипа), от корпуса к радиатору (Rθcs, тепловое сопротивление TIM), от радиатора к окружающей среде (Rθsa, конвекция + излучение). При этом Rθsa можно разложить на сопротивление растекания тепла в основании радиатора (Rθspread), одномерное тепловое сопротивление теплопроводности рёбер (Rθfin) и конвективное тепловое сопротивление (Rθconv). Модель последовательной цепи: общее тепловое сопротивление = Rθjc + Rθcs + Rθspread + Rθfin + Rθconv.
Этот метод сосредоточенных параметров быстр и эффективен при предварительной оценке, но его главный недостаток — допущение о равномерном распределении температуры, тогда как в действительности в основании под чипом наблюдается выраженный двумерный/трёхмерный эффект растекания тепла. Для передовых чипов с локальной плотностью теплового потока до 200 Вт/см² сопротивление растекания может доминировать и даже приводить к образованию «горячих точек» в основании, из-за чего локальная температура оказывается значительно выше средней. В этом случае необходимо прибегать к CFD-моделированию.
CFD решает три связанных дифференциальных уравнения в частных производных:
Уравнение неразрывности (сохранение массы): ∂ρ/∂t + ∇·(ρu)=0
Уравнение количества движения (Навье — Стокса): ∂(ρu)/∂t + ∇·(ρuu) = -∇p + ∇·(τ) + ρg
Уравнение энергии: ∂(ρh)/∂t + ∇·(ρuh) = ∇·(k∇T) + S_h
Для теплопроводности внутри радиатора уравнение энергии упрощается до уравнения теплопроводности в твёрдом теле (конвективный член равен нулю). Для воздушной области необходимо решать полную модель турбулентности (наиболее распространённая k-ε или более совершенная SST k-ω), чтобы точно уловить градиенты скорости и температуры в пристеночном пограничном слое — поскольку 80% коэффициента конвективного теплообмена определяется вязким подслоем толщиной всего в несколько десятков микрометров внутри пограничного слоя.
Icepak основан на решателе Fluent и использует неструктурированную сетку (с тетраэдральными/гексаэдрическими ячейками), что обеспечивает высокую адаптивность к криволинейной геометрии (например, дуговым рёбрам, фасонным воздуховодам). Уникальное преимущество Icepak заключается в бесшовной связи с Ansys Mechanical и Maxwell для электро-тепло-структурного трёхполевого анализа. Например, для радиатора в мощном радиочастотном усилителе необходимо одновременно учитывать пространственно распределённые источники тепла от электромагнитных потерь (из Maxwell), изменение контактного теплового сопротивления из-за термической деформации (из Mechanical), а также оценку усталостной долговечности при термоциклировании. Точность такого связанного моделирования значительно превосходит изолированный тепловой анализ.
В стратегии построения сетки Icepak рекомендует создавать призматические слои на границе раздела твёрдое тело — жидкость, не менее 3–5 слоёв, для разрешения градиента температуры в пограничном слое. Для типичного радиатора CPU число ячеек обычно составляет от 5 до 20 миллионов, а время решения на 16-ядерной рабочей станции — около 2–4 часов.
Simcenter FloTHERM использует декартову (ортогональную) сетку, генерация которой происходит практически мгновенно и не требует вмешательства пользователя. Хотя аппроксимация криволинейной геометрии даёт ступенчатую погрешность, для типичных радиаторов с прямыми рёбрами в потребительской электронике эта погрешность остаётся в инженерно приемлемых пределах (<5%). FloTHERM содержит обширную встроенную библиотеку моделей электронных компонентов, включая двухрезисторные модели корпусов, детальные тепловые модели, ортотропные модели теплопроводности печатных плат и т. д., что значительно ускоряет построение модели.
Модуль Command Center в FloTHERM обладает мощными возможностями DOE (планирование эксперимента) и оптимизации. Инженеры могут задать целевую функцию (минимальное тепловое сопротивление или минимальная масса), установить проектные переменные (высота, шаг, толщина рёбер, скорость вращения вентилятора) и позволить программе автоматически выполнить сотни итераций моделирования, чтобы найти фронт Парето. Вручную этот процесс практически невыполним.
Точность моделирования в значительной степени зависит от реалистичности входных граничных условий. Ниже приведены три распространённые ловушки:
Неверное допущение об источнике тепла: чип упрощается до равномерного поверхностного источника тепла, игнорируя распределение множественных горячих точек внутри него. Продвинутый подход — использовать карты распределения мощности от производителя чипа или калибровать по измерениям термопарами.
Неактивированный член гравитации при естественной конвекции: при естественно-конвективном охлаждении подъёмная сила является единственной движущей силой. Если не активировать член гравитации и не задать плотность воздуха в приближении Буссинеска, результаты моделирования ошибочно покажут почти полное отсутствие течения и аномально высокую температуру.
Игнорирование или завышение излучения: при температуре поверхности ниже 100 °C излучение обычно составляет лишь 5–15% от общего теплоотвода и может быть упрощено. Однако если поверхность подвергнута чернению с высокой излучательной способностью (степень черноты >0,9), а скорость воздуха крайне низкая (<0,5 м/с), доля излучения может возрасти до 30
Отправить чертежи
Предоставить
