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在CFD软件中建立真空均温板热模型

日期:2015-01-19

        随着官网功耗增加和产品尺寸减小,热密度急速增长,散热变得更加局限,热通量可达100W/cm2,热集中区的热通量甚至会更高。同时,结温也必须满足官网性能和可靠性的需求。在一些案例中,结温必须低于85℃。这时就需要快速热扩散。这样,一个产品诞生了——真空均温板。

        Wei和他的团队尝试将真空均温板集成到官网封装中,作为热沉或封盖,以加强传热能力,减少传导申博。此外,他们还尝试对比其他金属传热部件,量化其热效益。真空均温板原理上类似于热管,由于其内部的相变过程,而具有非常高的有效导热率。典型的真空均温板包含两层薄的铜粉烧结层,中间夹着真空区域,外壳为薄的冲压铜层。真空均温板内部有少量液体,如纯水,充满铜粉烧结的吸液芯。与热管不同,均温板只包含两部分,蒸发层和冷凝层,冷凝层覆盖了蒸发层整个顶门。热量由热源顶部与均温板接触的部分进入蒸发层。充满吸液芯的液体蒸发,携带热量进入真空部分。蒸汽在压力驱动下由蒸发部分流到冷凝层,通过冷凝和外部散热器,将热量散发到环境空气中。冷凝后的液体在吸液芯毛细力的作用下流回蒸发层。

         Wei等人使用CFD软件FloTHERM,在发热芯片与环境空气间建立了2个不同传热模型。一个是真空均热板,用以量化热性能。另一个是实心铜盖,用以对比性能。芯片尺寸是10*10mm,安装在42.5X42.5mm的载体上,均温板和铜块的尺寸都是40.5*40.5*4mm。

真空均热板由多个固体层组成(图1所示),其有效的导热系数如下:
1. 真空均热板的铜壳导热系数为385W/m▪k
2. 吸液芯的导热系数为30W/m▪k
3. 蒸汽层的有效导热系数为30,000W/m▪k

                             

仿真结果如图2所示,两个图表所显示的热性能是相似的。然而,由于吸液芯相对低的导热系数,其下降趋势更为明显。另一方面,由于均温板横向热传递更好,所以板平面申博更均匀。同时,在芯片与壳体间的接触申博是其主要申博。

               

 

使用Flotherm软件对界面的各种参数进行了如下研究:

1. 敏感度分析是为了确定吸液芯和蒸发区域导热系数的影响。

这个研究的第一部分,吸液芯导热系数在30-60 W/m▪k之间时,蒸汽层导热系数固定在30,000W/m▪k。
这个研究的第二部分,蒸汽层导热系数在5,000-60,000W/m▪k之间时,吸液芯导热系数固定在30 W/m▪k。
这个结果表明,与蒸汽层导热系数相比,吸液芯的有效导热系数对均温板热性能的影响更加显著。倘若吸液芯和蒸汽层由于几何的复杂性和相变现象而难以确定其有效导热系数,那么应该对吸液芯的导热系数取保守值。由于对蒸汽层导热系数不敏感,其导热系数可以取典型的高导热率值。

 

2. 敏感性研究用以确定对流传热系数的影响

在研究中,散热底座表面的有效传热系数固定为1,400W/m2▪k。而这个系数可能因为空气流动和散热片型号的不同,而有不同的值。仿真研究中,传热系数在400-50,000W/m2▪k之间变化。结果显示,在较小的对流换热系数条件下,真空均热板比铜块的传热性好。随着传热系数升高,两者性能差异将降低。但是在高对流换热系数条件下(50,000W/m2▪k),铜块所表现的性能比均热板好。当对流换热系数非常高时,热流模式接近于单方向,这使得均温板横向传热性能好的优点变得不重要。因此,均温板更适用于在对流换热能力有限下的风冷散热。

                       

 

3. 敏感性分析确定宽度的影响

在这个研究中,均热板和铜块的宽度从10mm到90mm。结果显示,当底板较小时,铜块性能优于均温板。而真空均温板的主要优势是增强横向传热,当底板表面很大,有较大的扩散申博时,均温板的传热更有效。从纯粹的热学观点来讲,均热板更适用于直接散热,这样,整个散热器的基板都有很好的横向传热能力。

                    

 

 FloTHERM软件介绍://joshuasgirl.com/product-434.aspx

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