用Icepak熱分析軟件對散熱器進行熱設(shè)計

陳斯文，呂夢琴，吳 潔

（1.海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，南京 210039；2.中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016；3.江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 33013）

0 引 言

隨著電子元器件功率密度的不斷增加、設(shè)備的小型化發(fā)展，溫度已經(jīng)成為影響其可靠性的主要因素。電子設(shè)備不斷向高功率、高密度的方向發(fā)展，如果高功耗元器件的熱量不能及時散發(fā)出去，會導(dǎo)致電子設(shè)備可靠性降低，這就要求對工作溫度有較高要求的電子設(shè)備進行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計［1］。為了改善散熱性能，通常采用散熱器傳熱。傳統(tǒng)的散熱器設(shè)計方法是首先進行理論計算，再借鑒工作經(jīng)驗略加改進，基本沿用舊的結(jié)構(gòu)。這樣的散熱器結(jié)構(gòu)往往體積大、質(zhì)量重、散熱效果差。用Icepak軟件設(shè)計的散熱器體積、質(zhì)量、散熱均改善，研制周期短，可靠性高。

1 散熱器的傳熱方式

散熱器的傳熱方式包括3種：結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)熱傳熱、與周圍空氣的對流傳熱、輻射傳熱。

導(dǎo)熱傳熱存在于固體、液體和氣體中，但是導(dǎo)熱機理不相同。金屬導(dǎo)體中靠自由電子的運動，非導(dǎo)電固體中靠晶格結(jié)構(gòu)的振動；液體中主要靠彈性波的作用；氣體導(dǎo)熱是由于氣體分子互相碰撞引起的。固體導(dǎo)熱服從傅里葉傳熱定律，穩(wěn)定態(tài)熱傳導(dǎo)方程為：

式中：Φ為熱流量；λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；A為與熱量傳遞方向垂直的面積；T H和T H分別為高溫面和低溫面的溫度；δ為2個面之間的距離。

固態(tài)的導(dǎo)熱傳熱能力主要由材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)決定，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，傳熱能力越強。導(dǎo)熱傳遞的熱量和熱傳導(dǎo)系數(shù)、面積、溫差成正比。電子產(chǎn)品的散熱器通常采用鋁合金或者無氧銅等導(dǎo)熱性能好的金屬材料，雖然銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁高，但因鋁比銅輕且價格低，故采用鋁質(zhì)的散熱器［2］。

對流傳熱是流體流過固體表面時，二者具有不同溫度時發(fā)生的熱交換過程，分為自然對流和強制對流。對流散熱符合牛頓冷卻公式：

式中：Ф為熱流量；α為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為換熱面積；Δt為流體和壁面的溫差。

由牛頓冷卻公式可以看出，對流傳遞的熱量與傳熱系數(shù)、換熱面積、溫差成正比。對流傳熱分為自然對流和強迫對流。自然對流是由于流體冷熱密度不同而產(chǎn)生的，如散熱器放置在地面自然空氣環(huán)境中的傳熱屬于自然對流散熱。強迫對流是指由于外力迫使流體流動來傳熱，如風(fēng)扇吹散熱器冷卻，屬于強迫對流散熱。當散熱器在自然空氣對流環(huán)境下不能滿足溫度要求時，采用風(fēng)扇，進行風(fēng)冷強迫對流散熱，增強散熱能力。

對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與多種參數(shù)有關(guān)，與結(jié)構(gòu)的特征尺寸、流體速度、流體質(zhì)量流速、流體比定壓熱容、流體動力黏度、流體導(dǎo)熱系數(shù)、流體運動黏度、流體的體膨脹系數(shù)、重力加速度、流體熱擴散系數(shù)、流體與壁面的溫差有關(guān)。在考慮對流傳熱系數(shù)時，傳統(tǒng)的手動理論計算方法帶來很大的誤差。有些熱分析軟件，在熱仿真時對流傳熱系數(shù)手動設(shè)置，這樣也會帶來誤差。但采用Icepak熱分析軟件進行熱仿真時，軟件自動計算出傳熱系數(shù)，誤差小，提高了仿真溫度的準確度。

輻射傳熱是物體以電磁波形式傳遞能量的過程，熱輻射能夠在真空中傳遞能量。輻射能量交換服從斯蒂芬玻爾茲曼定律：

式中：Q為表面i和j之間輻射傳熱量；Ai為表面i的面積；εi為表面i發(fā)射率；Bij為表面i和表面j之間的輻射交換系數(shù)；σ為玻爾茲曼常數(shù) （該常數(shù)的值約為5.67e－8 W／（m2·k4）；Ti為表面i溫度；T j為表面j溫度。

導(dǎo)熱和對流傳遞的熱量和溫差成正比，熱輻射傳遞的熱量和溫度的4次方差成正比。增加輻射散熱，需要增加輻射表面積，提高表面發(fā)射率。散熱器的表面處理能夠改善發(fā)射率，磨光的鋁表面發(fā)射率比較低，氧化的鋁表面較高，油漆表面的發(fā)射率最高。對散熱器表面進行涂漆處理，增加表面發(fā)射率，改進輻射傳熱能力。

導(dǎo)熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱3種方式傳遞的熱量均與面積成正比。導(dǎo)熱傳遞的熱量與傳遞方向垂直的面積成正比，對流和輻射傳遞的熱量與表面積成正比。對于肋片散熱器，增加肋片的數(shù)量，對流和輻射的表面積也隨之增加，增強了散熱能力。

2 散熱器的熱設(shè)計

用Icepak熱分析軟件進行散熱器仿真時包括幾個步驟：建立熱分析模型、劃分網(wǎng)格、選擇分析類型、施加邊界條件和載荷、求解。調(diào)用軟件庫中的散熱器部件，設(shè)置材料屬性、基板厚度、肋片厚度和肋片數(shù)量。分析類型選擇穩(wěn)態(tài)溫度分析，邊界條件為自然空氣對流和輻射散熱，載荷為熱源的功耗，計算仿真結(jié)果。

2.1 散熱器金屬材料的選擇

在設(shè)計散熱器時首先考慮結(jié)構(gòu)尺寸，體積越大越利于散熱，但是散熱器所占據(jù)的空間和質(zhì)量會受到限制。散熱器設(shè)計原則為在給定結(jié)構(gòu)尺寸后，質(zhì)量小、溫度最低、滿足機加工的要求。散熱器的材料應(yīng)選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)高的金屬材料，一般采用鋁合金。如果鋁合金散熱器的散熱能力不能滿足熱設(shè)計要求，可以做成鋁鑲嵌銅塊的散熱器或者銅散熱器。但是對于結(jié)構(gòu)比較大的盒體，在進行熱設(shè)計的時候還要兼顧結(jié)構(gòu)的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計和減重設(shè)計。銅的散熱性能優(yōu)于鋁，但銅密度大，導(dǎo)致盒體的質(zhì)量增加，不利于減重。另外銅比鋁的強度低，盒體結(jié)構(gòu)的安全裕度比較低，抗振動、沖擊能力差，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。結(jié)構(gòu)尺寸比較小的盒體可以適當考慮采用銅材料，但對于結(jié)構(gòu)尺寸大且抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計要求比較高的盒體盡量避免采用銅材料。

2.2 散熱器肋片的方向選擇

在自然對流散熱時，重力加速度的方向?qū)囟扔休^大的影響。設(shè)計散熱器時要考慮重力加速度的方向，熱空氣垂直地面上升，如果空氣能順利通過散熱器肋片的間隙，更利用散熱。在設(shè)計靠自然對流散熱的散熱器時，應(yīng)首先考慮散熱器的裝配方向以決定散熱肋片的走向，其次要考慮散熱器的基板厚度、肋片厚度、肋間距。

仿真重力加速度對散熱的影響，建立模型，在散熱器上裝配熱源，散熱器結(jié)構(gòu)尺寸為70 mm×50 mm×30 mm，鋁合金材料，熱源功耗為3 W。散熱器的結(jié)構(gòu)、熱源功率、散熱環(huán)境3種條件均保持不變時，表1列舉了環(huán)境溫度為20℃、自然對流散熱時散熱器肋片方向?qū)ι嵝Ч挠绊憯?shù)據(jù)。

表1 自然對流散熱時、重力加速度方向?qū)ι嵝Ч挠绊憯?shù)據(jù)

圖1為自然對流散熱時散熱器不同放置方向時的溫度分布。圖1（a）為散熱器垂直放置，肋片走向平行于重力方向；圖1（b）為散熱器水平放置，肋片走向垂直于重力方向；圖1（c）為散熱器水平放置，肋片走向垂直于重力方向。由此可見，在自然對流散熱時，散熱器垂直放置，散熱器肋片走向平行于重力加速度方向時散熱效果最好。

2.3 散熱器基板厚度的優(yōu)化設(shè)計

散熱器基板厚度對散熱效果有很大的影響，當熱源功耗比較大時，基板的厚度相應(yīng)增加，基板從熱源吸收足夠的熱量向整個基板傳導(dǎo)，再通過肋片散熱到周圍空氣。散熱器結(jié)構(gòu)尺寸為70 mm×50 mm×30 mm，熱源功耗為10 W。表2為散熱器結(jié)構(gòu)尺寸、肋片厚度、肋片間距保持不變時基板厚度和溫度關(guān)系數(shù)據(jù)。

當基板厚度為0.5 mm時，熱源溫度為84.5℃。隨著基板厚度的增加，溫度急劇下降，當基板厚度為1.5 mm時溫度為77.4℃?；搴穸仍黾恿? mm，溫度下降為7.1℃。當基板厚度由1.5 mm增加為7 mm時，熱源溫度變化緩慢。基板厚度繼續(xù)增加，溫度以較快的速度反而上升。由此可見，當設(shè)計散熱器時，基板厚度如果太薄，則溫度太高，散熱效果差。如果基板太厚，不僅冷卻效果差，而且質(zhì)量太重。當基板的厚度為一最佳數(shù)值時，熱源溫度最低，質(zhì)量較小。

圖1 散熱器不同方向放置時的溫度分布

2.4 散熱器肋片厚度、肋間距的優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計散熱器的原則是散熱器肋片高度比較小時肋片要薄而密，高度比較大時肋片要略厚而疏。當散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，改善制冷效果需要增加散熱表面積，減小肋片厚度，增加肋片數(shù)量。每增加1個肋片，則增加1個肋片表面積的散熱面，但是當肋片的數(shù)量增加到一定數(shù)量時，散熱能力增強速度變緩慢，再繼續(xù)增加肋片數(shù)量，不僅增加了質(zhì)量，增加了加工難度，而且減弱了散熱能力。肋片的數(shù)量有一個最佳數(shù)值，需要用專門的熱仿真軟件進行優(yōu)化得到。如果散熱器肋片的高度比較小，肋片厚度比較大，在肋片間距固定的情況下肋片的數(shù)量減少，散熱表面積減少，傳熱效果變差，并且增加了散熱器的質(zhì)量。當散熱器的肋片高度比較大時，如果肋片比較薄，熱量聚集在肋片的根部，熱量要傳導(dǎo)到肋片末端熱阻比較大，影響散熱效果。散熱器肋片的厚度和肋間距（肋片數(shù)量數(shù)量）最佳時散熱效果最好，溫度最低，用Icepak軟件優(yōu)化得到優(yōu)化數(shù)據(jù)。

表2 散熱器基板厚度和溫度關(guān)系數(shù)據(jù)

如果散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定，優(yōu)化散熱器的肋片厚度和肋片間距，使熱源的溫度最低，設(shè)計肋片的厚度時還要考慮加工能力。下面的實例為散熱器結(jié)構(gòu)尺寸為70 mm×50 mm×30 mm、功耗為10 W、自然對流散熱時的散熱器優(yōu)化結(jié)果。

表3 散熱器肋片厚度、肋片個數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

表3中，當散熱器的肋片厚度為2 mm、肋片為7片時溫度最低，當肋片數(shù)量增加到15片時，溫度最高。肋片太密集不僅減弱了散熱效果，而且增加了機加工的難度，質(zhì)量也增加了，所以不是肋片越多越好。自然對流冷卻時，溫度邊界層比較厚，如果肋片間距太小，2個肋片的熱邊界層發(fā)生交叉，影響肋片表面的對流。當散熱器的肋片厚度為1 mm、肋片為10片時溫度最低。比較2種肋片厚度時的散熱效果，當散熱器肋片厚度為2 mm、肋片數(shù)量為7個時的溫度為76.7℃；當肋片厚度為1 mm、肋片數(shù)量為10片時的溫度為74.9℃。兩者溫度比較接近，兼顧機加工能力和質(zhì)量選擇肋片厚度和數(shù)量。

3 測試結(jié)果和討論

為驗證仿真的正確性進行試驗。用ICEPAK熱分析軟件仿真散熱器結(jié)構(gòu)尺寸為100 mm×80 mm×30 mm、基板厚度為2 mm、肋片厚度為2 mm、肋片數(shù)量為8個（即肋間距為8 mm）、6個熱源裝配在散熱器的基板上。圖2（a）為熱源裝配位置，圖2（b）為散熱器的仿真溫度分布。

從圖2（b）可以看出，裝配在散熱器一角的熱源溫度比較高，由于熱源的熱量首先以導(dǎo)熱傳熱的方式傳遞到基板和肋片，然后通過基板和肋片的外表面的對流傳熱和輻射傳熱把熱量散發(fā)到周圍的空間。在設(shè)計散熱器時，盡量把熱功耗大的熱源裝配在散熱器基板的中心位置，熱源分布均勻，使熱源的溫度最低。

圖2 散熱器的熱源分布和溫度分布

在試驗中用點溫度計測試溫度，表3為環(huán)境20℃時仿真溫度數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)一致，仿真數(shù)據(jù)準確可靠。熱源的溫度誤差分析：（1）散熱器模型誤差，仿真時所建立的模型是理想模型，而實際加工時可能有機械誤差；（2）散熱器材料熱傳導(dǎo)系數(shù)引起的誤差，仿真時調(diào)用軟件庫中的材料屬性，不同批次金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)有所差異；（3）測試誤差，測試過程中采用點溫度計進行監(jiān)測，監(jiān)測點可能偏離了最高溫度位置，點溫度計本身也存在測量不確定度［3］。

表4 散熱器仿真溫度數(shù)據(jù)和試驗測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

在設(shè)計散熱器時，選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)高的金屬材料，在自然對流環(huán)境下應(yīng)考慮肋片的方向，以利于空氣的流動。對于給定結(jié)構(gòu)尺寸的散熱器，優(yōu)化基板厚度、肋片厚度、肋片間距，還要考慮散熱器的機加工能力，確保熱源的溫度最低，質(zhì)量較輕，散熱器的冷卻效果最佳。用ICEPAK CFD熱分析軟件對散熱器進行熱仿真和優(yōu)化，仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)一致，降低了研制成本，縮短了研制周期。

［1］邱成悌，蔣金興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

［2］余建祖，高紅霞.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)［M］.南京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］李勤建，高翠琢.發(fā)射組件強迫風(fēng)冷系統(tǒng)的熱設(shè)計［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，37（9）：730－733.