haberler

Termal Direnç Ağı ve CFD Simülasyonu: Isı Emicilerinin Kantitatif Tasarımı için Mühendislik Metodolojisi

İlk olarak, tek boyutlu bir termal direnç ağından üç boyutlu bir sıcaklık alanına

Isı emici tasarımının başlangıç noktası genellikle termal direnç ağının bir diyagramıdır. Çip kavşağından ortam havasına giden ısı yolu şu şekilde ayrıştırılır: kavşaktan kabuğa (Rhtjc, çip paketi iç direnci), kabuktan ısı emiciye (Rhtcs, TIM termal direnci), ısı emici ortama (Rhtsa, konveksiyon + radyasyon). Bunlar arasında Rhtsa, ısı emici alt tabakasının (Rhtcast) difüzyon termal direncine, yüzgeçlerin (Rhtfin) tek boyutlu termal iletkenlik termal direncine ve konveksiyon termal direncine (Rhtconv) ayrılabilir. Seri devre modeli: toplam termal direnç = Rhtjc + Rhtcast + Rhtfin + Rhtconv.

Bu merkezi değişken yöntemi, ilk tahminlerde hızlı ve etkilidir, ancak en büyük dezavantajı, aslında çipin altındaki alt tabaka üzerinde şiddetli bir 2D / 3D termal difüzyon etkisi olduğunda, tek tip bir sıcaklık dağılımı varsaymasıdır. 200 W / cm ² 'ye kadar yerel ısı akısına sahip gelişmiş talaşlar için, difüzyon termal direnci hakim olabilir ve hatta alt tabakada "sıcak noktalar" oluşumuna yol açarak yerel sıcaklığın ortalama sıcaklıktan çok daha yüksek olmasına neden olabilir. CFD simülasyonuna şu anda güvenilmelidir.

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonunun temel denklemleri

CFD, üç birleşmiş kısmi diferansiyel denklemi çözer:

1. süreklilik denklemi
   (Kütlenin Korunması): Yapar / Yapar + ❓ · () = 0
   

2. momentum denklemi
   (Navier-Stokes):  (ρu) / ѕt + ❓ · (ρuu) = - ❗ p + ❗ · (σ) + ρg
   

3. enerji denklemi
   :  (ρh) / ѕt + ❓ · (ρuh) = ❓ · (k ❗ T) + S _ h
   

Bir soğutucu içindeki ısı iletimi için, enerji denklemi katı ısı iletimi denklemine indirgenir (sıfır konveksiyon terimiyle). Hava alanı için, yakın duvar sınır tabakası içindeki hızı ve sıcaklığı doğru bir şekilde yakalamak için tam bir türbülans modelinin (en yaygın k-α modeli veya daha gelişmiş SST k-ω modeli) çözülmesi gerekir - çünkü
Konvektif ısı transfer katsayısının% 80 'i, yalnızca birkaç on mikron kalınlığında sınır tabakasındaki viskoz alt tabakaya bağlıdır.
。

III. Ansys Icepak: Karmaşık Yüzeylere ve Çoklu Fiziğe Karşı

Icepak, Akıcı çözücüye dayalıdır ve kavisli geometrilere (örn. Dairesel yüzgeçler, özel şekilli hava kanalları) oldukça uyarlanabilen yapılandırılmamış bir ağ (tetrahedral / altıgen çekirdek) kullanır. Icepak 'ın benzersiz avantajı, üç alanlı electro-thermal-structural için Ansys Mekanik ve Maxwell ile sorunsuz bir şekilde birleştirilebilmesidir. Örneğin, yüksek güçlü RF yükselticilerindeki ısı alıcıları, hem elektromanyetik kayıpların (Maxwell' den) ürettiği mekansal olarak dağılmış ısı kaynağını, hem de termal deformasyonun neden olduğu temas ısıl direncindeki değişikliği (Mekanik 'ten) ve geçici termal döngüler altında yorulma ömrü değerlendirmesini dikkate almalıdır. Bu birleştirilmiş simülasyon, izole termal analizden çok daha doğrudur.

Bir ağ oluşturma stratejisi olarak Icepak, sınır katmanı sıcaklık katmanını çözmek için katı akışkan arayüzünde en az 3-5 kat prizmatik ağlar oluşturmanızı önerir. Tipik CPU soğutucuları için ağlar tipik olarak 5 milyon-20 milyondur ve 16 çekirdekli bir iş istasyonunda çözüm süresi yaklaşık 2-4 saattir.

FloTHERM: Elektronik ısı dağılımına odaklanan verimliliğin kralı

Simhub FloTHERM, kullanıcı müdahalesi olmadan neredeyse anında üretilen Kartezyen kafesleri (ortogonal kafesler) kullanır. Kavisli geometrinin yaklaştırılması bir adım hatası üretse de, bu hata, tüketici elektroniğinde yaygın olarak bulunan düz kanatlı ısı alıcıları için kabul edilebilir mühendislik aralığı içinde kontrol edilebilir (

FloTHERM
Komuta Merkezi
Modül, güçlü DOE (Deney Tasarımı) ve optimizasyon yeteneklerine sahiptir. Mühendisler, nesnel işlevleri (minimum ısıl direnç veya minimum ağırlık) tanımlayabilir, tasarım değişkenlerini (kanat yüksekliği, aralık, kalınlık, fan hızı) ayarlayabilir ve yazılımın hayati birkaç sınırın yasalarını bulmak için yüzlerce simülasyonu otomatik olarak yinelemesine izin verebilir. Bu işlemi manuel olarak yapmak neredeyse imkansızdır.

V. Sınır koşullarını simüle etmek için anahtar tuzaklar

Simülasyon doğruluğu, giriş sınır koşullarının gerçekliğine büyük ölçüde bağlıdır. İşte üç yaygın tuzak:

1. Isı kaynağı varsayım hatası
   : İçindeki çoklu sıcak nokta dağılımını göz ardı ederek çipi tek tip bir yüzey ısı kaynağı olarak basitleştirin. Gelişmiş uygulama, çip üreticisi tarafından sağlanan güç dağıtım haritasını kullanmak veya termokupl ölçümü ile kalibre etmektir.
   

2. Doğal konveksiyon yerçekimi terimini etkinleştirmez
   Doğal konveksiyon soğutmasında yüzdürme tek itici güçtür. Yerçekimi terimini etkinleştirmeden ve hava yoğunluğunu Boussinesq yaklaşımına ayarlamadan, simülasyon sonuçları yanlış bir şekilde az akış olduğunu ve sıcaklığın alışılmadık derecede yüksek olduğunu tahmin ediyor.
   

3. Radyasyon göz ardı edilir veya fazla tahmin edilir
   : Yüzey sıcaklığı 100 ° C 'nin altında olduğunda, radyasyon genellikle basitleştirilebilen toplam ısı dağılımının sadece% 5-15' ini oluşturur. Ancak yüzey yüksek yayılım (yayılım > 0.9) ile kararırsa ve hava akış hızı son derece düşükse (
   

Altı, ızgara bağımsızlığı doğrulaması ve yakınsama kriterleri

Herhangi bir CFD simülasyonu, resmi analizden önce ızgara bağımsızlığı için doğrulanmalıdır. Çalışma yöntemi: Üç set kaba, orta ve ince ızgara oluşturun (ızgara sayısı en az 2 kat farklıdır) ve önemli konumların sıcaklığını hesaplayın (talaş bağlantı sıcaklığı gibi). Izgara ve ince ızgara sonuçları arasındaki farklar

Yakınsama kriterleri genellikle şu şekilde ayarlanır: enerji artıkları 1e-6 'nın altına düşer, momentum artıkları 1e-4' ün altına düşer ve monitör noktası sıcaklık değişimleri 100 ardışık yineleme için 0,01 ° C 'nin altındadır.

VII. Simülasyondan teste kapalı döngü kalibrasyonu

Simülasyon asla fiziksel gerçeklikle aynı değildir. En titiz geliştirme süreci: termal simülasyon tasarımı açık kalıp üretim örnek termal testi (termal görüntüleme kamerası ve termokupl kullanılarak) karşılaştırma testi ve simülasyon sapma kalibrasyon simülasyon parametreleri (hava tarafı konveksiyon korelasyonu, TIM kalınlık sapması gibi) düzeltme tasarımı ikincil prova. İki tur kapalı döngüden sonra, simülasyon ve test arasındaki sıcaklık farkı ±3 ° C içinde kontrol edilebilir. Bu kalibrasyon veri tabanı, işletmenin temel bilgi varlığıdır.

VIII. Sonuç

Termal simülasyon, "experience-plus-test" den "öngörücü güdümlü tasarıma" geçerek ısı alıcıların tasarım paradigmasında devrim yarattı. Ancak yazılım sadece bir araçtır ve gerçek uzmanlık, doğru fiziksel modelin kurulmasında, simülasyon sonuçlarının doğru bir şekilde yorumlanmasında ve modelin termal test yoluyla sürekli olarak kalibre edilmesinde yatar. Gelecekte, bulutta AI destekli simülasyonun ve yüksek performanslı hesaplamanın çoğalmasıyla, gerçek zamanlı termal simülasyon (Dijital İkiz) mümkün olacak - her ısı alıcısı, çalışma sıcaklığını gerçek zamanlı olarak yansıtan ve kalan ömrü tahmin eden dijital ikizine sahip olacak.

BQUQ profesyonel bir metal ısı emici üreticisidir, lütfen bize çizimler gönderin, şirketimiz size 12 saat içinde teklif verecektir.