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Wärmewiderstandsnetzwerk und CFD-Simulation: Technische Methodik für die quantitative Auslegung von Kühlkörpern

Erstens, von einem eindimensionalen Wärmewiderstandsnetz zu einem dreidimensionalen Temperaturfeld

Der Ausgangspunkt für die Konstruktion des Kühlkörpers ist häufig ein Diagramm des Wärmewiderstandsnetzes. Der Weg der Wärme vom Chipübergang zur Umgebungsluft wird unterteilt in: Übergang zum Gehäuse (Rhtjc, Innenwiderstand des Chippakets), Gehäuse zum Kühlkörper (Rhtcs, TIM-Wärmewiderstand), Kühlkörper zur Umwelt (Rhtsa, Konvektion + Strahlung). Rhtsa lässt sich in den thermischen Diffusionswiderstand des Kühlkörpersubstrats (Rhtread), den eindimensionalen thermischen Leitfähigkeitswiderstand der Lamellen (Rhtfin) und den thermischen Konvektionswiderstand (Rhtconv) zerlegen. Serienschaltungsmodell: Gesamtwärmewiderstand = Rhtjc + Rhtcs + Rhtread + Rhtconv zerlegen.

Diese Methode mit zentralisierten Parametern ist in ersten Schätzungen schnell und effektiv, aber der größte Nachteil ist, dass sie von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung ausgeht, obwohl in Wirklichkeit ein heftiger 2D / 3D-Wärmediffusionseffekt auf dem Substrat unter dem Chip auftritt. Bei fortschrittlichen Chips mit einem lokalen Wärmestrom von bis zu 200 W / cm ² kann der thermische Diffusionswiderstand dominieren und sogar zur Bildung von "Hot Spots" im Substrat führen, wodurch die lokale Temperatur viel höher ist als die Durchschnittstemperatur. Zu diesem Zeitpunkt muss auf die CFD-Simulation zurückgegriffen werden.

Die Kerngleichungen der computergestützten Strömungsdynamiksimulation

CFD löst drei gekoppelte partielle Differentialgleichungen:

1. Kontinuitätsgleichung
   (Erhaltung der Masse): Würde / Würde + ∇ · (ρ u) = 0
   

2. Impulsgleichung
   ( Navier-Stokes ): Ś (ρu) / Ś t + ∇ · (ρuu) = - ∇ p + ∇ · (τ) + ρg
   

3. Energie-Gleichung
   : Ś (ρh) / Ś t + ∇ · (ρuh) = ∇ · (k ∇ T) + S _ h
   

Für die Wärmeleitung innerhalb eines Kühlkörpers wird die Energiegleichung auf die Gleichung für die Wärmeleitung im Festkörper (mit Nullkonvektionsterm) reduziert. Für den Luftbereich muss ein vollständiges Turbulenzmodell (das gebräuchlichste k-ε-Modell oder das fortgeschrittenere SST k-ω-Modell) gelöst werden, um die Geschwindigkeit und Temperatur innerhalb der wandnahen Grenzschicht genau zu erfassen - denn
80% des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten hängen von der viskosen Unterschicht in der Grenzschicht mit einer Dicke von nur wenigen zehn Mikrometern ab
。

III. Ansys Icepak: Facing Complex Surfaces und Multiphysik

Icepak basiert auf dem Fluent-Solver und verwendet ein unstrukturiertes Netz (tetraedrischer / hexaedrischer Kern), das sich sehr gut an gekrümmte Geometrien (z. B. kreisförmige Rippen, speziell geformte Luftkanäle) anpassen lässt. Der einzigartige Vorteil von Icepak besteht darin, dass es nahtlos mit Ansys Mechanical und Maxwell für electro-thermal-structural Drei-Feld-Analyse gekoppelt werden kann. Beispielsweise müssen Kühlkörper in Hochleistungs-HF-Verstärkern sowohl die räumlich verteilte Wärmequelle, die durch elektromagnetische Verluste erzeugt wird (von Maxwell), die durch thermische Verformung verursachte Änderung des thermischen Kontaktwiderstands (von Mechanical) als auch die Bewertung der Ermüdungslebensdauer bei transienten thermischen Zyklen berücksichtigen. Diese gekoppelte Simulation ist weitaus genauer als die isolierte thermische Analyse.

Als Vernetzungsstrategie empfiehlt Icepak die Erzeugung prismatischer Netze an der Fest-Fluid-Grenzfläche, mindestens 3-5 Schichten, um die Temperaturschicht der Grenzschicht aufzulösen. Bei typischen CPU-Kühlkörpern betragen die Netze in der Regel 5 Millionen bis 20 Millionen, und die Lösungszeit beträgt etwa 2-4 Stunden auf einer 16-Kern-Workstation.

FloTHERM: Der König der Effizienz mit Schwerpunkt auf elektronischer Wärmeableitung

Simcenter FloTHERM verwendet kartesische Netze (orthogonale Netze), die fast augenblicklich ohne Benutzereingriff erzeugt werden. Obwohl die Annäherung an die gekrümmte Geometrie einen Stufenfehler erzeugt, kann dieser Fehler innerhalb des technisch akzeptablen Bereichs für Flachrippen-Kühlkörper kontrolliert werden, der üblicherweise in der Unterhaltungselektronik zu finden ist (

FloTHERM
Kommandozentrale
Das Modul verfügt über leistungsstarke DOE (Design of Experiments) und Optimierungsfunktionen. Ingenieure können Zielfunktionen (minimaler Wärmewiderstand oder minimales Gewicht) definieren, Konstruktionsvariablen (Rippenhöhe, Abstand, Dicke, Lüftergeschwindigkeit) festlegen und die Software automatisch Hunderte von Simulationen iterieren lassen, um die Gesetze der wenigen wichtigen Grenzen zu finden. Dieser Prozess ist manuell fast unmöglich durchzuführen.

V. Schlüsselfallen zur Simulation von Randbedingungen

Die Simulationsgenauigkeit hängt stark von der Authentizität der Eingangsrandbedingungen ab. Hier sind drei häufige Fallstricke:

1. Fehler bei der Annahme der Wärmequelle
   : Vereinfachen Sie den Chip als gleichmäßige Oberflächenwärmequelle und ignorieren Sie die Multi-Hotspot-Verteilung im Inneren. Fortgeschrittene Praxis besteht darin, die vom Chiphersteller bereitgestellte Stromverteilungskarte zu verwenden oder sie durch Thermoelementmessung zu kalibrieren.
   

2. Natürliche Konvektion aktiviert den Gravitationsterm nicht
   Bei der natürlichen Konvektionskühlung ist der Auftrieb die einzige treibende Kraft. Ohne den Schwerkraftterm zu aktivieren und die Luftdichte auf die Boussinesq-Näherung einzustellen, sagen die Simulationsergebnisse fälschlicherweise voraus, dass es wenig Strömung gibt und die Temperatur ungewöhnlich hoch ist.
   

3. Strahlung wird ignoriert oder überschätzt
   : Wenn die Oberflächentemperatur unter 100 ° C liegt, macht die Strahlung in der Regel nur 5-15% der gesamten Wärmeabgabe aus, was vereinfacht werden kann. Wenn die Oberfläche jedoch mit hohem Emissionsgrad (Emissionsgrad> 0,9) geschwärzt ist und der Luftdurchsatz extrem niedrig ist (
   

Sechs, Überprüfung der Netzunabhängigkeit und Konvergenzkriterien

Jede CFD-Simulation muss vor der formalen Analyse auf ihre Netzunabhängigkeit überprüft werden. Arbeitsweise: Generieren Sie drei Sätze von groben, mittleren und feinen Gittern (die Anzahl der Gitter unterscheidet sich um mindestens das Zweifache) und berechnen Sie die Temperatur der Schlüsselstellen (z. B. die Chip-Sperrschichttemperatur). Unterschiede zwischen Gitter- und Feingitterergebnissen

Die Konvergenzkriterien werden in der Regel wie folgt festgelegt: Energiereste fallen unter 1e-6, Impulsresiduen fallen unter 1e-4, und die Änderungen der Monitorpunkttemperatur liegen bei 100 aufeinanderfolgenden Iterationen unter 0,01 ° C.

VII. Closed-Loop-Kalibrierung von der Simulation bis zum Test

Simulation ist nie dasselbe wie physikalische Realität. Der strengste Entwicklungsprozess ist: thermische Simulation Design offene Form Produktion Probe thermische Prüfung (mit Wärmebildkamera und Thermoelement) Vergleich Test und Simulation Abweichung Kalibrierung Simulationsparameter (wie Luftseite Konvektion Korrelation, TIM Dicke Abweichung) Korrektur Design sekundäre Proofing. Nach zwei Runden des geschlossenen Regelkreises kann die Temperaturdifferenz zwischen Simulation und Test innerhalb von ±3 ° C kontrolliert werden. Diese Kalibrierungsdatenbank ist das zentrale Wissensgut des Unternehmens.

VIII. Schlussfolgerung

Die thermische Simulation hat das Entwurfsparadigma von Kühlkörpern revolutioniert und ist vom "experience-plus-test" zum "prädiktiv gesteuerten Entwurf" übergegangen. Aber Software ist nur ein Werkzeug, und wahre Expertise liegt darin, das richtige physikalische Modell zu erstellen, die Simulationsergebnisse genau zu interpretieren und das Modell durch thermische Tests kontinuierlich zu kalibrieren. In Zukunft wird mit der Verbreitung von KI-gestützter Simulation und Hochleistungsrechnen in der Cloud eine thermische Echtzeitsimulation (Digital Twin) möglich werden - jeder Kühlkörper wird seinen digitalen Zwilling haben, der die Betriebstemperatur in Echtzeit widerspiegelt und die verbleibende Lebensdauer vorhersagt.

BQUQ ist ein professioneller Hersteller von Metallkühlkörpern, bitte senden Sie uns Zeichnungen, und unser Unternehmen wird Ihnen innerhalb von 12 Stunden ein Angebot unterbreiten.