Tin tức

Mạng lưới điện trở nhiệt và mô phỏng CFD: Phương pháp kỹ thuật thiết kế định lượng tản nhiệt

Từ mạng điện trở nhiệt một chiều đến trường nhiệt độ ba chiều

Điểm khởi đầu của thiết kế tản nhiệt, thường là sơ đồ mạng điện trở nhiệt. Đường dẫn nhiệt từ điểm nối chip đến không khí xung quanh được phân hủy thành: điểm nối đến vỏ (Rthejc, điện trở bên trong của gói chip), vỏ đến tản nhiệt (Rthecs, điện trở nhiệt TIM), tản nhiệt đến môi trường (Rthesa, đối lưu + bức xạ). Trong đó Rthesa có thể được phân hủy thành điện trở nhiệt khuếch tán chất nền tản nhiệt (Rthespread), điện trở nhiệt dẫn nhiệt một chiều của vây (Rthefin) và điện trở nhiệt đối lưu (Rtheconv). Mô hình mạch chuỗi: tổng điện trở nhiệt = Rthejc + Rthecs + Rthespread + Rthefin + Rtheconv.

Phương pháp tham số tập trung này nhanh chóng và hiệu quả trong ước tính sơ bộ, nhưng nhược điểm lớn nhất là giả định phân bố nhiệt độ đồng đều, trong khi thực tế chất nền bên dưới chip có hiệu ứng khuếch tán nhiệt 2D / 3D mạnh mẽ. Đối với các chip tiên tiến có mật độ thông lượng nhiệt cục bộ lên đến 200 W / cm ², điện trở nhiệt khuếch tán có thể chiếm ưu thế, thậm chí dẫn đến sự hình thành "điểm nóng" bên trong chất nền, khiến nhiệt độ cục bộ cao hơn nhiều so với nhiệt độ trung bình. Tại thời điểm này phải dựa vào mô phỏng CFD.

Phương trình cốt lõi của mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán

CFD giải ba phương trình vi phân một phần kết hợp:

1. Phương trình liên tục
   (Bảo toàn khối lượng): ☺ ∩ / ☺ t + ☺ · (ρu) = 0
   

2. Phương trình động lượng
   (Navier-Stokes): (ρu) / t + ∇ · (ρuu) = - ∇ p + ∇ · (･) + ρg
   

3. Phương trình năng lượng
   : (ρh) / t + ∇ · (ρuh) = ∇ · (k ∇ T) + S _ h
   

Đối với dẫn nhiệt bên trong tản nhiệt, phương trình năng lượng được đơn giản hóa thành phương trình dẫn nhiệt rắn (thuật ngữ đối lưu bằng không). Đối với miền không khí, cần phải giải mô hình nhiễu loạn hoàn chỉnh (mô hình k-α phổ biến nhất hoặc mô hình SST k-ω tiên tiến hơn) để nắm bắt chính xác tốc độ và độ dốc nhiệt độ trong lớp ranh giới gần tường - bởi vì
80% hệ số truyền nhiệt đối lưu phụ thuộc vào lớp con dính có độ dày chỉ vài chục micron trong lớp ranh giới.
。

Ansys Icepak: Hướng tới các bề mặt phức tạp và đa vật lý

Icepak dựa trên bộ giải Fluent, sử dụng lưới không có cấu trúc (lõi tứ diện / lục diện) và có khả năng thích ứng với hình học uốn cong (ví dụ: vây hình vòng cung, ống dẫn khí hình đặc biệt). Ưu điểm độc đáo của Icepak là nó có thể được kết hợp liền mạch với Ansys Mechanical và Maxwell để phân tích ba trường điện-nhiệt-cấu trúc. Ví dụ, bộ tản nhiệt trong bộ khuếch đại RF công suất cao cần phải tính đến cả nguồn nhiệt phân bố không gian do mất điện từ (từ Maxwell), sự thay đổi điện trở nhiệt tiếp xúc do biến dạng nhiệt (từ Mechanical) và đánh giá tuổi thọ mệt mỏi trong chu kỳ nhiệt thoáng qua. Độ chính xác của mô phỏng ghép nối này vượt xa phân tích nhiệt cô lập.

Đối với chiến lược lưới, Icepak khuyên bạn nên tạo lưới lớp lăng trụ ở giao diện chất lỏng rắn, ít nhất là 3-5 lớp, để phân tích gradient nhiệt độ lớp ranh giới. Đối với bộ tản nhiệt CPU điển hình, số lượng lưới thường là 5-20 triệu và thời gian giải quyết là khoảng 2-4 giờ trên máy trạm 16 lõi.

FloTHERM: Vua hiệu quả tập trung vào tản nhiệt điện tử

Simcenter FloTHERM sử dụng lưới Cartesian (lưới trực giao), việc tạo lưới được thực hiện gần như ngay lập tức và không cần sự can thiệp của người dùng. Mặc dù việc xử lý gần đúng hình học uốn cong tạo ra lỗi bước, nhưng đối với bộ tản nhiệt vây phẳng thường được sử dụng trong điện tử tiêu dùng, lỗi này có thể được kiểm soát trong phạm vi chấp nhận được về mặt kỹ thuật (

của FloTHERM
Trung tâm chỉ huy
Mô-đun có khả năng DOE (thiết kế thử nghiệm) và tối ưu hóa mạnh mẽ. Các kỹ sư có thể xác định chức năng mục tiêu (điện trở nhiệt thấp nhất hoặc trọng lượng nhẹ nhất), đặt các biến thiết kế (chiều cao vây, khoảng cách, độ dày, tốc độ quạt) và cho phép phần mềm tự động lặp lại hàng trăm mô phỏng để tìm ra cạnh trước của Pareto. Quá trình này gần như không thể thực hiện bằng tay.

5, Mô phỏng các bẫy chính được thiết lập bởi điều kiện ranh giới

Độ chính xác của mô phỏng phụ thuộc nhiều vào tính xác thực của các điều kiện ranh giới đầu vào, sau đây là ba cạm bẫy phổ biến:

1. Giả định nguồn nhiệt sai
   : Đơn giản hóa chip thành nguồn nhiệt mặt phẳng đồng nhất, bỏ qua sự phân bố đa điểm nóng bên trong của nó. Phương pháp nâng cao là sử dụng biểu đồ phân phối điện năng do nhà sản xuất chip cung cấp hoặc hiệu chuẩn thông qua cặp nhiệt điện.
   

2. Đối lưu tự nhiên không kích hoạt thuật ngữ trọng lực
   : Trong làm mát đối lưu tự nhiên, lực nâng là động lực duy nhất. Nếu thuật ngữ trọng lực không được kích hoạt và mật độ không khí được đặt thành xấp xỉ Boussinesq, kết quả mô phỏng sẽ dự đoán sai rằng hầu như không có dòng chảy và nhiệt độ cao bất thường.
   

3. Bức xạ bị bỏ qua hoặc đánh giá quá cao
   : Khi nhiệt độ bề mặt dưới 100 ° C, bức xạ thường chỉ chiếm 5-15% tổng lượng tản nhiệt, có thể được đơn giản hóa. Nhưng nếu bề mặt được xử lý làm đen độ phát xạ cao (độ phát xạ > 0,9) và tốc độ dòng không khí cực kỳ thấp (
   

Tiêu chuẩn xác minh và hội tụ độc lập lưới

Bất kỳ mô phỏng CFD nào cũng phải được xác minh tính độc lập của lưới trước khi phân tích chính thức. Phương pháp hoạt động: Tạo ba bộ lưới thô, trung bình và mịn (số lưới chênh lệch ít nhất 2 lần), tính toán nhiệt độ (ví dụ: nhiệt độ giao nhau chip) ở các vị trí chính. Kết quả lưới giữa lưới và lưới mịn khác nhau.

Tiêu chuẩn hội tụ thường được đặt thành: dư năng lượng giảm xuống dưới 1 e-6, dư động lượng dưới 1 e-4 và nhiệt độ điểm giám sát thay đổi dưới 0,01 ° C trong 100 lần lặp liên tiếp.

Hiệu chuẩn vòng kín từ mô phỏng đến thử nghiệm

Mô phỏng không bao giờ tương đương với thực tế vật lý. Quy trình phát triển nghiêm ngặt nhất là: Thiết kế mô phỏng nhiệt Mở khuôn để làm mẫu Kiểm tra nhiệt (sử dụng máy ảnh nhiệt và cặp nhiệt điện) Kiểm tra so sánh và độ lệch mô phỏng để hiệu chỉnh các thông số mô phỏng (chẳng hạn như mối tương quan đối lưu bên không khí, độ lệch độ dày TIM) Sửa đổi mẫu thứ cấp thiết kế. Sau hai vòng vòng lặp kín, chênh lệch nhiệt độ giữa mô phỏng và kiểm tra có thể được kiểm soát trong vòng ±3 ° C. Cơ sở dữ liệu hiệu chuẩn này là tài sản kiến thức cốt lõi của doanh nghiệp.

8. Kết luận

Mô phỏng nhiệt đã thay đổi hoàn toàn mô hình thiết kế của bộ tản nhiệt, từ "trải nghiệm cộng với thử nghiệm" sang "thiết kế theo hướng dự đoán". Nhưng phần mềm chỉ là công cụ, khả năng chuyên môn thực sự được thể hiện ở: thiết lập mô hình vật lý chính xác, giải thích chính xác kết quả mô phỏng và liên tục hiệu chỉnh mô hình thông qua thử nghiệm nhiệt. Trong tương lai, với sự phổ biến của mô phỏng hỗ trợ AI và điện toán hiệu suất cao trên đám mây, mô phỏng nhiệt thời gian thực (Digital Twin) sẽ trở nên khả thi - mỗi bộ tản nhiệt có cặp song sinh kỹ thuật số riêng, phản ánh nhiệt độ điều kiện làm việc trong thời gian thực và dự đoán tuổi

BQUQ là nhà sản xuất tản nhiệt kim loại chuyên nghiệp, xin vui lòng gửi bản vẽ cho chúng tôi, công ty chúng tôi sẽ báo giá cho bạn trong vòng 12 giờ.