高功率芯片的新型水冷散熱板結構仿真分析

熱設計 2025-07-02

0 引言

隨著科技的發展,各種電器功能的不斷增強,對芯片的功率要求越來越高,而傳統結構的水冷板已經不能將芯片的熱量有效地散出去,只能不斷增加水冷板的體積和重量,導致水冷板搬運困難,影響了電器的整個使用過程?例如最近幾年應用較多的激光器,由于市場需求擴大,特別是醫學上的普遍應用,不斷要求大功率的激光器面世,而散熱就是一個亟待解決的問題?

基于市場形勢所趨,開發一種體積小?散熱能力強的新型散熱板迫在眉睫?為此,本文在傳統水冷板結構基礎上設計了一種新型的水冷板結構,并對這種新型水冷板結構零件的組裝進行分析,確定了易于加工和易于組裝的結構方案;之后采用Flotherm軟件對三種結構的水冷板進行有限元仿真,比較了在芯片發熱和水冷板散熱達到熱平衡后水冷板的溫度,并通過試驗驗證了新型結構的水冷板比其他結構的水冷板散熱能力更強?

1 水冷板結構

1.1常規水冷板結構

常規的水冷板由鋁板和無氧銅加工和鑲嵌共同完成,然后再通過打磨或者飛面的工藝處理,使得整塊水冷散熱板形成一個平整的平面,使用一段時間后,鑲嵌處縫隙變大,使得銅管與鋁板融合的平面度降低,影響散熱性能?常規水冷板結構如圖1所示?

該結構只適合功率幾十瓦的芯片散熱使用,如今很多芯片為了滿足實際使用要求,體積越來越小?功率越來越大,熱量很集中,因此迫切需要一種散熱能力強的水冷板來輔助散熱,以達到芯片的正常使用功能?

1.2新型水冷板結構

新型水冷板采用無氧銅材料加工,其散熱性能遠遠超過鋁合金,但是由于無氧銅材料本身基材比較軟?易腐蝕,因此采用整體機加工完成,并在表面鍍鎳,以增加其抗腐蝕性能,從而提高了使用的可靠性?圖2為該新型水冷板的結構,由主體?進水口?出水口和O形密封圈組成?由圖2可以看出,新型水冷板主體結構加工簡單,設計合理,整體加工能完全避免由焊接工藝或鑲嵌工藝導致的多零件組裝出現的問題,平面度易保證,使用壽命更長?進水口和出水口分別用螺釘連接到主體結構上,通過O形密封圈密封以避免使用過程中漏水現象的發生?

密封圈的設計和選用非常重要,密封圈一般選用橡膠材質,有一定的壓縮量與拉伸量,密封溝槽的設計影響了密封圈的使用壽命?密封溝槽設計包括形狀?尺寸?精度和表面粗糙度等,溝槽設計時需保證易加工?易安裝密封圈等,具體設計標準可參照國標GB3452.1內對O形密封圈設計的規定?

2 有限元分析

2.1Flotherm熱分析

Flotherm軟件是采用成熟的CFD(計算流體動力學)和數值傳熱學仿真技術開發的?Flotherm軟件是基于有限單元法,將原來在時間域和空間域上連續的物理量的場,用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組,然后通過求解代數方程組獲得場變量的近似值?熱分析模塊是Flotherm軟件的核心模塊,可以實現建立模型?加載邊界條件?求解計算?可視化后處理和分析報告等基本功能,并可以完全滿足系統級?板和組件級到封裝等各種層次的分析要求?

Flotherm軟件是專門的電子設備熱設計軟件,可以在其內對散熱器進行建模,并利用其數字風洞技術計算流阻,對包含散熱器的整個電子設備系統進行分析,對復雜形狀的散熱器進行設計與優化?

2.2模型建立

采用Flotherm軟件對三種不同結構的水冷板建立有限元模型,如圖3所示,其參數設置如表1所示?三種不同結構的水冷板分別命名為A型(新型結構)?B型(常規結構)?C型(常規結構),圖4~圖6分別為A型?B型?C型結構水冷板?B型結構和C型結構都是市場上常規水冷板設計結構的簡化模型,其區別是水冷管路的走向不同,在有限元建模中建立了這兩種常規水冷板結構并做散熱比較,后面試驗過程中也對這兩種水冷板結構進行散熱試驗比較?