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      探究芯片環(huán)境溫度及芯片殼體溫度值?

      2019-01-03 07:36:40易艷春
      艦船電子工程 2018年12期
      關(guān)鍵詞:邊界層熱阻散熱器

      湯 恒 夏 兵 易艷春

      (1.第七二二研究所武漢邁力特通信有限公司 武漢 430035)(2.湖北師范大學(xué) 黃石 435002)

      電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)工程師在確定其熱設(shè)計(jì)方案是否合理時,一個關(guān)鍵的判決因素就是芯片所處的殼溫和結(jié)溫是否超過芯片制造商提供的Tc值及Tj值(及硅核結(jié)溫)。純自行理論計(jì)算,設(shè)計(jì)者對計(jì)算結(jié)果的偏差值很難準(zhǔn)確把握,所以計(jì)算結(jié)果往往偏差較大。熱力學(xué)研究人員,繪制了溫升圖或表,供設(shè)計(jì)人員使用,但此類圖表僅能得出結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)空氣大致溫度,不能提供設(shè)計(jì)者所需的溫度分布圖,也就不能查出芯片Tc值及Tj值。對機(jī)箱內(nèi)進(jìn)行溫度測試,須等樣機(jī)出來后方可進(jìn)行,只能對熱設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行測試驗(yàn)證,設(shè)計(jì)者再根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正優(yōu)化。

      有人錯誤地認(rèn)為,芯片表面或芯片所附散熱器表面的溫度與芯片周圍附近的環(huán)境溫度相同,從而得出錯誤或不準(zhǔn)確的熱設(shè)計(jì)結(jié)論。此觀點(diǎn)的錯誤之處在于:忽略了周圍空氣與芯片間的熱邊界層(亦稱溫度邊界層)對溫度的影響。根據(jù)流體力學(xué)與傳熱學(xué)理論,熱邊界層內(nèi)溫度梯度往往較大,是影響芯片散熱的重要因素。

      軟件仿真模擬,是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域近十幾年來逐漸興起的一種熱設(shè)計(jì)手段,準(zhǔn)確提供熱源數(shù)值及分布、傳熱系數(shù)、材料特性、幾何形狀、幾何尺寸及環(huán)境條件后,經(jīng)過模擬后,計(jì)算機(jī)會顯示出箱體內(nèi)的熱分布圖(即云圖),但要從熱分布圖中提煉出符合傳熱學(xué)理論的芯片Tc值及Ta值,對普通熱設(shè)計(jì)者也是一個不小的挑戰(zhàn)。

      知曉了芯片的工作溫度,就可通過計(jì)算或軟件仿真獲得芯片的Tc值及Tj值,通過得到的Tc值及Tj值,就可知曉熱設(shè)計(jì)方案是否合理。

      以下從流體邊界層、芯片工作溫度(環(huán)境溫度)、通過軟件仿真[1]獲取Ta及Tc值等方面,介紹如何正確獲取芯片Tc值的方法,然后舉例實(shí)測驗(yàn)證。

      2 邊界層

      2.1 邊界層簡介

      在1904年海德爾堡(Heidelberg)數(shù)學(xué)討論會上宣讀的論文《具有很小摩擦的流體運(yùn)動》中,普朗特指出:有可能精確地分析一些很重要的實(shí)際問題中所出現(xiàn)的粘性流動。借助于理論研究和幾個簡單的實(shí)驗(yàn),他證明了繞固體的流動可以分成兩個區(qū)域:一是固體附近很薄的一層(邊界層),其中摩擦起著主要的作用;二是該層以外的其余區(qū)域,這里摩擦可以忽略不計(jì)?;谶@個假設(shè),普朗特成功地對粘性流動的重要意義給出了物理上透徹的解釋,同時對相應(yīng)的數(shù)學(xué)上的困難做了最大程度的簡化。甚至在當(dāng)時,這些理論上的論點(diǎn)就得到一些簡單實(shí)驗(yàn)的支持,這些實(shí)驗(yàn)是在普朗特親手建造的水洞中做的。因此他在重新統(tǒng)一理論和實(shí)踐方面邁出了第一步。邊界層理論在為發(fā)展流體動力學(xué)提供一個有效的工具方面證明是極其有成效的。自20世紀(jì)以來,在新近發(fā)展起來的空氣動力學(xué)這門學(xué)科的推動下,邊界層理論已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展。在一個很短的時間內(nèi),它與其他非常重要的進(jìn)展(機(jī)翼理論和氣體動力學(xué))一起,已成為現(xiàn)代流體力學(xué)的基石之一。

      2.2 熱邊界層

      粘性很?。╯mall viscosity)的空氣流過散熱器或芯片壁面(即表面),在粘性摩擦力作用下,靠近壁面的薄層空氣,其速度將會被減小。緊貼壁面的空氣會粘附在壁面上,與壁面的相對速度等于零,空氣以層流狀態(tài)流過壁面。由壁面垂直向外(如圖1中的+Y軸方向),從Y=0開始,隨著Y值的增加,空氣的流動速度也會隨著增加,直至與空氣的流入速度相等。壁面的摩擦力:通過粘性向流體內(nèi)部傳遞,使壁面附近流體速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于來流速度。離開壁面距離的增加:壁面的阻滯作用減弱,空氣流動的速度逐漸恢復(fù)[2~3]。

      流體研究者把從壁面垂直向外的這一空氣減速薄層稱作空氣邊界層,此處我們稱之為芯片空氣邊界層。圖1是平行與壁面的芯片空氣邊界層示意圖。邊界層內(nèi)從壁面(此處速度為零)開始,沿法線方向至速度與當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣萔相等(嚴(yán)格地說是等于0.990V或0.995V)的位置之間的距離,記為δ。

      圖1 層流狀態(tài)芯片空氣邊界層示意圖

      圖2 空氣邊界層厚度

      熱邊界層厚度與芯片或散熱器壁面尺寸相比,熱邊界層厚度是一個較小的數(shù)量值,圖2表示的是空氣邊界層厚度、空氣流速及壁面長度的關(guān)系。

      3 芯片表面熱量轉(zhuǎn)移

      芯片空氣邊界層是對流傳熱過程中產(chǎn)生熱阻的最主要區(qū)域。在此區(qū)域之外,溫度梯度和熱阻都可忽略。因此,關(guān)于芯片對流傳熱的探究,僅限于芯片溫度邊界層范圍之內(nèi)[4]。

      熱量從散熱器表面?zhèn)鬟f到熱邊界層空氣中的轉(zhuǎn)移率,取決于散熱器表面的溫度與熱邊界層外的空氣溫度的差值。差值越大,熱量轉(zhuǎn)移率越高;反之,熱量轉(zhuǎn)移率越低。假定芯片及其散熱器周圍對流流動的空氣溫度為Ta,對應(yīng)于芯片廠家提供的工作溫度,即環(huán)境溫度。由于散熱器自身熱阻、以及散熱器與芯片殼體間熱阻均較小,可假定芯片殼體附近散熱器表面的溫度與芯片殼體溫度Tc相同。在空氣流過散熱器及芯片表面過程中[5],隨著圖3y值的增加,空氣流動速度從趨近于0開始,逐步增加到對流空氣的最大速度;在熱邊界層厚度內(nèi),溫度從Tc下降到Ta,如圖3所示。熱邊界層的存在,導(dǎo)致ΔT=Tc-Ta的存在,而ΔT>0,所以 Tc>Ta,也就不可能出現(xiàn)Tc=Ta的情況。

      由于散熱器表面熱邊界層的存在,以及箱體內(nèi)對流的條件,決定了Tc不可能與周圍空氣Ta相等。因此,要完整驗(yàn)證芯片熱設(shè)計(jì)結(jié)果,既要測試散熱器(或芯片)表面殼體的溫度,又要測試其周圍的空氣溫度(即芯片生產(chǎn)商提供的工作溫度Ta)。

      圖3 芯片熱量轉(zhuǎn)移示意圖

      圖4 芯片散熱模型

      4 芯片散熱模型及示例

      圖4中的模型,表示了熱源從芯片硅核通過芯片封裝殼、導(dǎo)熱填充料、散熱器,最后散發(fā)到空氣中的轉(zhuǎn)移過程[6~10]。

      依據(jù)此散熱模型,以某廠家芯片為例,進(jìn)一步說明Tc>Ta的情況。表1為該芯片的部分熱參數(shù)值。

      例如,該廠家推薦給該芯片使用高度為20mm的散熱器,其具體型號是UB35-20B。通過分析,芯片結(jié)溫低于100℃,可允許芯片周圍的空氣溫度超過65℃。反之亦然,我們通過給定的Ta及對應(yīng)的其它具體條件,我們可以計(jì)算出芯片的結(jié)溫,從而判斷芯片是否能夠穩(wěn)定工作。

      4.1 軟件仿真[11~12]

      4.1.1 軟件簡介[13]

      ICEPAK是ANSYS系列軟件中針對電子行業(yè)的散熱仿真優(yōu)化分析軟件,目前在全球擁有較高的市場占有率,電子行業(yè)涉及的散熱、流體等相關(guān)工程問題,均可使用ANSYSICEPAK進(jìn)行求解模擬計(jì)算,如強(qiáng)迫風(fēng)冷、自然冷卻、PCB各向異性導(dǎo)熱率計(jì)算、熱管數(shù)值模擬等工程問題[14]。

      4.1.2 熱模型的建立及網(wǎng)格劃分

      參照上述該芯片散熱模型,建立其熱仿真模型,采用連續(xù)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域劃分,芯片位于散熱器下方,芯片焊接于PCB上,如下圖所示。

      圖5 模型圖

      圖6 溫度顯示云圖

      4.1.3 求解參數(shù)設(shè)置

      參照上述芯片熱參數(shù)表,進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置,具體參數(shù)設(shè)置如下:

      表2 仿真參數(shù)表

      4.1.4 數(shù)值仿真模擬結(jié)果

      求解結(jié)果如圖6。

      通過芯片封裝殼體表面的中心點(diǎn)作一條法線,其對應(yīng)溫度曲線如圖7所示。

      圖7 芯片殼體法線方向溫度梯度變化曲線

      由圖通過仿真軟件可讀得:Tc=82.3℃、Ts=81.3℃、Ta=65℃,其中Ts是散熱器表面溫度。仿真結(jié)果,Tc與Ta間的差值是:

      Tc-Ta=82.3-65=17.3℃。

      4.2 分析及測試

      具體分析及測試結(jié)果如下流程圖[10~16]:

      圖8 分析及測試記錄流程

      測試結(jié)果,Ta比Tc低15.7℃。

      4.3 仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比

      仿真結(jié)果:Tc與Ta間的差值是17.3℃,實(shí)測結(jié)果Tc與Ta間的差值是15.7℃。兩種之間存在一定的誤差,仿真結(jié)果:

      由對比分析可知:仿真結(jié)果與測試結(jié)果誤差為9.2%。

      5 結(jié)語

      1)芯片空氣邊界層厚度與空氣流速負(fù)相關(guān)、與壁面長度正相關(guān),即空氣流速越大,邊界層厚度越小;壁面越長,邊界層厚度越大。如圖2中數(shù)據(jù)所示。

      2)芯片空氣熱邊界層是產(chǎn)生熱阻θca的最主要原因(θca:芯片殼體至周圍空氣的熱阻),因此Tc>Ta。

      3)緊貼芯片殼體測得的溫度是Tc值、或仿真軟件模擬出的Tc值,不能被當(dāng)做Ta值,否則會使熱設(shè)計(jì)容余量過大,造成成本浪費(fèi)。

      4)溫度探頭必須放置于芯片空氣熱邊界層厚度外邊沿處,方可測得準(zhǔn)確的Ta值,以判芯片是否工作在額定的工作溫度范圍內(nèi)。

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