0 引言

隨著科技的發(fā)展,各種電器功能的不斷增強(qiáng),對(duì)芯片的功率要求越來越高,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水冷板已經(jīng)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(dǎo)致水冷板搬運(yùn)困難,影響了電器的整個(gè)使用過程?例如最近幾年應(yīng)用較多的激光器,由于市場(chǎng)需求擴(kuò)大,特別是醫(yī)學(xué)上的普遍應(yīng)用,不斷要求大功率的激光器面世,而散熱就是一個(gè)亟待解決的問題?

基于市場(chǎng)形勢(shì)所趨,開發(fā)一種體積小?散熱能力強(qiáng)的新型散熱板迫在眉睫?為此,本文在傳統(tǒng)水冷板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的水冷板結(jié)構(gòu),并對(duì)這種新型水冷板結(jié)構(gòu)零件的組裝進(jìn)行分析,確定了易于加工和易于組裝的結(jié)構(gòu)方案;之后采用Flotherm軟件對(duì)三種結(jié)構(gòu)的水冷板進(jìn)行有限元仿真,比較了在芯片發(fā)熱和水冷板散熱達(dá)到熱平衡后水冷板的溫度,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了新型結(jié)構(gòu)的水冷板比其他結(jié)構(gòu)的水冷板散熱能力更強(qiáng)?

1 水冷板結(jié)構(gòu)

1.1常規(guī)水冷板結(jié)構(gòu)

常規(guī)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(gè)平整的平面,使用一段時(shí)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(guī)水冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示?

該結(jié)構(gòu)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(shí)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(qiáng)的水冷板來輔助散熱,以達(dá)到芯片的正常使用功能?

1.2新型水冷板結(jié)構(gòu)

新型水冷板采用無氧銅材料加工,其散熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)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(jié)構(gòu),由主體?進(jìn)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(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)合理,整體加工能完全避免由焊接工藝或鑲嵌工藝導(dǎo)致的多零件組裝出現(xiàn)的問題,平面度易保證,使用壽命更長(zhǎng)?進(jìn)水口和出水口分別用螺釘連接到主體結(jié)構(gòu)上,通過O形密封圈密封以避免使用過程中漏水現(xiàn)象的發(fā)生?

密封圈的設(shè)計(jì)和選用非常重要,密封圈一般選用橡膠材質(zhì),有一定的壓縮量與拉伸量,密封溝槽的設(shè)計(jì)影響了密封圈的使用壽命?密封溝槽設(shè)計(jì)包括形狀?尺寸?精度和表面粗糙度等,溝槽設(shè)計(jì)時(shí)需保證易加工?易安裝密封圈等,具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可參照國(guó)標(biāo)GB3452.1內(nèi)對(duì)O形密封圈設(shè)計(jì)的規(guī)定?

2 有限元分析

2.1Flotherm熱分析

Flotherm軟件是采用成熟的CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)開發(fā)的?Flotherm軟件是基于有限單元法,將原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)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(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后通過求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值?熱分析模塊是Flotherm軟件的核心模塊,可以實(shí)現(xiàn)建立模型?加載邊界條件?求解計(jì)算?可視化后處理和分析報(bào)告等基本功能,并可以完全滿足系統(tǒng)級(jí)?板和組件級(jí)到封裝等各種層次的分析要求?

Flotherm軟件是專門的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件,可以在其內(nèi)對(duì)散熱器進(jìn)行建模,并利用其數(shù)字風(fēng)洞技術(shù)計(jì)算流阻,對(duì)包含散熱器的整個(gè)電子設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行分析,對(duì)復(fù)雜形狀的散熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化?

2.2模型建立

采用Flotherm軟件對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的水冷板建立有限元模型,如圖3所示,其參數(shù)設(shè)置如表1所示?三種不同結(jié)構(gòu)的水冷板分別命名為A型(新型結(jié)構(gòu))?B型(常規(guī)結(jié)構(gòu))?C型(常規(guī)結(jié)構(gòu)),圖4~圖6分別為A型?B型?C型結(jié)構(gòu)水冷板?B型結(jié)構(gòu)和C型結(jié)構(gòu)都是市場(chǎng)上常規(guī)水冷板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型,其區(qū)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(guī)水冷板結(jié)構(gòu)并做散熱比較,后面試驗(yàn)過程中也對(duì)這兩種水冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱試驗(yàn)比較?

2.3有限元分析結(jié)果

基于上述建模,對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的水冷板在不同功率的芯片條件下進(jìn)行有限元分析,工況如表2所示?

在芯片功率分別為100W?500W?1000W的條件下,三種結(jié)構(gòu)的水冷板分析結(jié)果分別如圖7~圖9所示?

由上述分析結(jié)果可以將數(shù)據(jù)歸納到表3,由此可以得出如下結(jié)論:

(1) 相同體積的水冷板,不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其散熱能力不同?

(2) 相同工況條件下,A型結(jié)構(gòu)的水冷板溫度最低,其散熱能力最強(qiáng)?

(3) 在芯片功率比較低的情況下,A型結(jié)構(gòu)與B型?C型兩種結(jié)構(gòu)相比,其散熱能力稍微有提升,而隨著芯片的功率增大,A型結(jié)構(gòu)的散熱能力遠(yuǎn)超過B型和C型結(jié)構(gòu)的散熱能力?

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)三種結(jié)構(gòu)的水冷板分別在20℃恒溫箱內(nèi)做試驗(yàn),試驗(yàn)過程如圖10所示?工況與有限元分析的工況一致,通過改變芯片電流和芯片數(shù)量,達(dá)到芯片功率的要求?試驗(yàn)結(jié)果如表4所示?

比較試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

(1) 相同體積的水冷板,不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其散熱能力不同,與有限元分析結(jié)果一致?

(2) 在同工況條件下,A型結(jié)構(gòu)的水冷板溫度最低,其散熱能力最強(qiáng),與有限元分析結(jié)果一致?

(3) 在芯片功率比較低的情況下,A型結(jié)構(gòu)與B型?C型兩種結(jié)構(gòu)相比,其散熱能力稍微有提升,而隨著芯片的功率增大,A型結(jié)構(gòu)的散熱能力遠(yuǎn)超過B型和C型結(jié)構(gòu)的散熱能力,與有限元分析結(jié)果一致?

(4)在同工況條件下,水冷板通過試驗(yàn)得到的溫度普遍高于有限元分析的結(jié)果數(shù)據(jù),這可能是由于溫控箱溫度控制精度比較差導(dǎo)致的?

4 結(jié)論

本文采用有限元建模和試驗(yàn)方法,對(duì)新型結(jié)構(gòu)的水冷板進(jìn)行散熱能力分析,得到一致結(jié)論,在同工況條件下,芯片功率越高,新型結(jié)構(gòu)水冷板的散熱能力越強(qiáng)?說明這種新型水冷板適合高功率芯片的散熱,值得在某些生產(chǎn)高功率芯片的企業(yè)內(nèi)推廣?

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