Mentor Graphics的CFD应用：电子设计领域的创新实践

利用计算流体动力学设计和选择理想散热器

设计电子设备时，微型器件散发到周围环境中的热量是一个重要考虑事项，因为热量对其运行和使用寿命有着强大且严峻的影响。当电子设备过热时，元件会以更快速度损耗、退化，超过阈值进入安全模式，随后停止工作。最终可能引起整个系统永久性失效。因此，随着科技不断发展，热管理对当今电子设备的功能和性能有着重要影响。

那么，如何管理电子设备中的热问题呢？我们知道，热量从一个地方传递到另一个地方主要有三种方法：对流、传导和辐射。对流是指热量从固体表面传递到周围流体。传导是指通过固体材料传热。对于热传导，材料选择很重要，电子设备大部分使用铜和铝等热的良导体来快速传热。最后是辐射，电子设备中的热辐射是指温度引起的电磁辐射。通过辐射传热的效率远低于传导和对流。

图1：散热器周围典型的热传递

如何消除电子设备散发出的无用热量呢？许多技术可用来散热，但有效的是散热器。散热器是指CPU、图形卡等电子系统中的大块金属物体。散热器的效率高度依赖于其设计结构。为使散热器效率最大，需要考虑一些因素。最重要考虑的是散热器需要散掉的热量。其次是流动特性，也就是散热器通过的流体流量和旁通流量。再次是系统在引入散热器之后的压力下降。最后一点是设计，包括设计成本、是否能实际制造出来以及使用何种材料。铜的热导率约为铝的两倍，但密度是铝的三倍，因此铜只应在必要时使用。

电子器件散热的最佳方法是将散热器安装到热源表面上以增大热源表面积。利用增大的表面积，散热器能更有效地将热量从热源传递到邻近流体。热量通过传导从热源传递到散热器，然后通过对流从散热器传递到周围流体，也可以通过辐射传递到周围区域。

这些器件广泛用于电子系统中，会释放出大量无用的热量。换言之，散热器是被动换热器，吸收热源中的热量并将其扩散到空气中；若配合风扇或旋转器件使用，将能主动给系统组件散热。热扩散使系统温度均一化，防止其过热。说到增大表面积和占用大块空间，在散热器中直接增加风扇可能是一种廉价且节省空间的通过强制对流大幅改善散热器性能的途径。

如何设计并选择适合这种用途的散热器呢？此外，可以提高散热器效率的所有已知因素是什么？如何设计并优化散热器，从而以最高的效率和最低的成本实现需要的温度？答案是使用计算流体动力学(CFD)。CFD利用数值非线性微分方程来描述具有固定几何形状和边界条件的流体流动（Navier-Stokes方程）。

CFD的主要优势是可利用其虚拟建模方法和强大的可视化功能来估计各种应用的性能。CFD能够预测系统性能，不要求修改实际系统或原型。因此，甚至不必触碰实际原型，便可利用CFD来预测哪些设计变更对增强性能最为重要。CFD能提供比任何其他理论或实验方法都更准确、甚至更好且详细的系统信息。与做实验相比，CFD的成本要低得多，所花时间也更少，因为它不涉及对系统的物理改变。

利用MentorGraphics的CFD仿真包FloTHERMXT来测量印刷电路板(PCB)上两种不同散热器的性能。PCB是均一的，具有各向同性热属性。这些属性常用于具有多层绝缘材料和铜走线的PCB中，使得PCB的热阻率是沿着电路板水平方向，而不是垂直方向。PCB上主芯片的总功率为1W，主芯片周围的细长芯片功率为2mW，右边迷你芯片的功率为1mW。

图2：含不同层和铜走线的PCB

第一次仿真仅有PCB，用以估计总功耗。主芯片的温度测得为55.7℃。结果显示，通过自然对流的散热方式不足以冷却PCB上的主芯片。

图3：PCB温度分布

在第二次仿真中，我在主芯片正上方增加了一个矩形顺排散热器，其间有一个热界面层。我使用的是氮化铝热界面层。空气在主芯片和散热器之间形成热阻，因此强烈建议使用这种热界面层。

图4：通过填充空气的热界面材料导热

当电子器件的热路径中有两个或更多固体表面时，需要使用热界面材料(TIM)。典型机加工材料的表面粗糙且有起伏，表面之间的实际接触点相当少。两个表面之间的间隙填满空气，对于两个表面之间的热传递，空气是绝热体和屏障。因此，利用TIM填充空隙以消除两个表面之间的空气，可以改进热传导过程，增强两种材料之间的热传递。

图5：矩形顺排散热器鳍片几何形状信息

对任何应用，为了找到最合适的散热器，都需要进行一些简单的人工计算，先使用关系式，再使用鳍片效率公式。典型关系式计算平板上流体的热传递效率。热传递工程教科书上有大量相关资料。鳍片越多，表面热交换效果越好，但随着鳍片数量增多，散热器压降也会提高。因此，流速一定时，鳍片数量存在一个最优值。

图6：矩形顺排散热器直接安装在PCB上主芯片的上面

在第二次仿真中，我用TIM直接把散热器贴在主芯片上表面上。我选择的是铝制散热器。仿真结果显示，散热器的增加和自然对流使主芯片温度降低。温度从55.7℃降至53.2℃，主芯片总温度降低2.5℃

图7：配有透明风扇的矩形顺排散热器

在第三次仿真中，我直接在散热器鳍片的上表面加装一个风扇，其流速为0.008m3/s，直接吹入散热器中。强制对流导致主芯片温度降低至36.3℃，温差为19.4℃，添加的风扇来自FloTHERMXTSmartPartTM库。

图8：径向自旋散热器

在最后一次仿真中，我使用了一个鳍片自旋式散热器，该散热器结合了散热器和风扇的功能。转速调整至100RPM，其位于主芯片上，二者之间有界面层。我对CFD库中的该散热器应用了旋转区域边界条件以实现自旋。此类散热器非常有效，因为它减少了散热器自旋和主芯片周围活动部件引起的静止空气量，使热阻不再存在。

将自旋散热器安装到主芯片上方之后，温度降至35.7℃，温差为20.0℃。来自CFD库的旋转区域SmartPartTM对实现这一出色性能起到了帮助作用。

图9：圆柱形自旋散热器

总之，比较我实施的所有CFD仿真，自旋散热器的散热效率最高，温度从55.7℃降至35.7℃，相差20.0℃。此外，自旋散热器非常安静，而且占用的空间比任何其他散热器都小。

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