Rete di resistenza termica e simulazione CFD: metodologia ingegneristica per la progettazione quantitativa dei dissipatori di calore
In primo luogo, da una rete di resistenza termica unidimensionale a un campo di temperatura tridimensionale
Il punto di partenza del design del dissipatore di calore è spesso un diagramma della rete di resistenza termica. Il percorso del calore dalla giunzione del chip all'aria ambiente è decomposto in: giunzione al guscio (Rhtjc, resistenza interna del pacchetto di chip), guscio al dissipatore di calore (Rhtcs, resistenza termica TIM), dissipatore di calore all'ambiente (Rhtsa, convezione + radiazione). Tra questi, Rhtsa può essere decomposto nella resistenza termica di diffusione del substrato del dissipatore di calore (Rhtspread), la resistenza termica di conducibilità termica unidimensionale delle alette (Rhtfin) e la resistenza termica di convezione (Rhtconv). Modello di circuito in serie: resistenza termica totale = Rhtjc + Rhtcs + Rhtspread + Rhtfin + Rhtconv.
Questo metodo centralizzato dei parametri è veloce ed efficace nelle stime iniziali, ma il più grande inconveniente è che presuppone una distribuzione uniforme della temperatura, quando in realtà c'è un violento effetto di diffusione termica 2D / 3D sul substrato sotto il chip. Per i chip avanzati con flusso di calore locale fino a 200 W / cm ², la resistenza termica di diffusione può dominare e persino portare alla formazione di "punti caldi" nel substrato, causando la temperatura locale molto superiore alla temperatura media. In questo momento è necessario fare affidamento sulla simulazione CFD.
Le equazioni fondamentali della simulazione fluidodinamica computazionale
CFD risolve tre equazioni alle derivate parziali accoppiate:
equazione di continuità
(Conservazione della massa): Sarebbero / Sarebbero + MOELLER · (p u) = 0equazione del momento
(Navier-Stokes):equazione dell'energia
：∂(ρh)/∂t + ∇·(ρuh) = ∇·(k∇T) + S_h
Per la conduzione del calore all'interno di un dissipatore di calore, l'equazione dell'energia è ridotta all'equazione della conduzione del calore solido (con termine di convezione zero). Per il dominio dell'aria, un modello di turbolenza completo (il modello k-ε più comune o il modello k-ω SST più avanzato) deve essere risolto per catturare con precisione la velocità e la temperatura all'interno dello strato limite vicino alla parete - perché
80% del coefficiente di trasferimento di calore convettivo dipende dal sottostrato viscoso nello strato limite con uno spessore di poche decine di micron
。
III. Ansys Icepak: Affrontare Superfici Complesse e Multifisica
Icepak si basa sul solutore Fluent e utilizza una rete non strutturata (nucleo tetraedrico / esaedrico), che è altamente adattabile alle geometrie curve (ad es. alette circolari, condotti dell'aria di forma speciale). Il vantaggio unico di Icepak è che può essere accoppiato senza soluzione di continuità con Ansys Mechanical e Maxwell per electro-thermal-structural l'analisi a tre campi. Ad esempio, i dissipatori di calore negli amplificatori RF ad alta potenza devono considerare sia la fonte di calore distribuita spazialmente generata dalle perdite elettromagnetiche (da Maxwell), la variazione della resistenza termica di contatto causata dalla deformazione termica (da Mechanical), sia la valutazione della vita a fatica in cicli termici transitori. Questa simulazione accoppiata è molto più accurata dell'analisi termica isolata.
Come strategia di meshing, Icepak consiglia di generare mesh prismatiche all'interfaccia solido-fluido, almeno 3-5 strati, per risolvere lo strato di temperatura dello strato limite. Per i dissipatori di calore tipici della CPU, le mesh sono in genere 5 milioni-20 milioni e il tempo di soluzione è di circa 2-4 ore su una workstation a 16 core.
FloTHERM: il re dell'efficienza incentrato sulla dissipazione elettronica del calore
Simcenter FloTHERM utilizza maglie cartesiane (maglie ortogonali), che vengono generate quasi istantaneamente senza l'intervento dell'utente. Sebbene l'approssimazione della geometria curva produca un errore di passo, questo errore può essere controllato all'interno della gamma accettabile di ingegneria per i dissipatori di calore ad alette piatte che si trovano comunemente nell'elettronica di consumo (
Flotherm
Centro di comando
Il modulo ha potenti funzionalità DOE (Design of Experiments) e di ottimizzazione. Gli ingegneri possono definire funzioni oggettive (resistenza termica minima o peso minimo), impostare variabili di progettazione (altezza delle alette, spaziatura, spessore, velocità della ventola) e consentire al software di iterare automaticamente centinaia di simulazioni per trovare le leggi delle poche frontiere vitali. Questo processo è quasi impossibile da fare manualmente.
V. Trappole chiave per la simulazione delle condizioni al contorno
L'accuratezza della simulazione dipende fortemente dall'autenticità delle condizioni al contorno di input. Ecco tre insidie comuni:
Errore di assunzione della fonte di calore
: Semplifica il chip come fonte di calore superficiale uniforme, ignorando la distribuzione multi-hotspot al suo interno. La pratica avanzata consiste nell'utilizzare la mappa di distribuzione dell'energia fornita dal produttore del chip o calibrarla attraverso la misurazione della termocoppia.La convezione naturale non attiva il termine gravitazionale
Nel raffreddamento a convezione naturale, la galleggiabilità è l'unica forza motrice. Senza attivare il termine di gravità e impostare la densità dell'aria sull'approssimazione di Boussinesq, i risultati della simulazione prevedono erroneamente che c'è poco flusso e la temperatura è insolitamente alta.Le radiazioni sono ignorate o sopravvalutate
: Quando la temperatura superficiale è inferiore a 100 ° C, la radiazione di solito rappresenta solo il 5-15% della dissipazione totale del calore, il che può essere semplificato. Ma se la superficie è annerita con un'elevata emissività (emissività> 0,9) e la portata d'aria è estremamente bassa (
Sei, verifica dell'indipendenza della rete e criteri di convergenza
Qualsiasi simulazione CFD deve essere verificata per l'indipendenza della griglia prima dell'analisi formale. Metodo operativo: genera tre serie di griglie grossolane, medie e fini (il numero di griglie differisce di almeno 2 volte) e calcola la temperatura delle posizioni chiave (come la temperatura della giunzione del chip). Differenze tra i risultati della griglia e della griglia fine
I criteri di convergenza sono solitamente impostati come segue: i residui di energia scendono al di sotto di 1e-6, i residui di quantità di moto scendono al di sotto di 1e-4 e le variazioni di temperatura del punto di monitoraggio sono inferiori a 0,01 ° C per 100 iterazioni consecutive.
VII. Calibrazione a circuito chiuso dalla simulazione al test
La simulazione non è mai la stessa della realtà fisica. Il processo di sviluppo più rigoroso è: progettazione di simulazione termica stampo aperto produzione campione test termico (utilizzando termocamera e termocoppia) test di confronto e simulazione deviazione calibrazione parametri di simulazione (come la correlazione di convezione lato aria, deviazione spessore TIM) correzione progettazione impermeabilizzazione secondaria. Dopo due cicli di ciclo chiuso, la differenza di temperatura tra simulazione e test può essere controllata entro ±3 ° C. Questo database di calibrazione è il patrimonio di conoscenza di base dell'impresa.
VIII. Conclusione
La simulazione termica ha rivoluzionato il paradigma di progettazione dei dissipatori di calore, passando da "experience-plus-test" a "progettazione basata sulla previsione". Ma il software è solo uno strumento e la vera competenza sta nella creazione del giusto modello fisico, nell'interpretazione accurata dei risultati della simulazione e nella calibrazione continua del modello attraverso test termici. In futuro, con la proliferazione della simulazione assistita dall'intelligenza artificiale e del calcolo ad alte prestazioni nel cloud, diventerà possibile la simulazione termica in tempo reale (Digital Twin): ogni dissipatore di calore avrà il suo gemello digitale, che riflette la temperatura operativa in tempo reale e prevede la vita residua.
BQUQ è un produttore professionista del dissipatore di calore del metallo, prego ci invia i disegni e la nostra società vi citerà entro 12 ore.
