自然循环叉排矩形针形翅片散热器性能模拟研究文献综述

 2021-10-15 08:10

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文献综述

一.课题背景

随着社会的发展,微电子芯片的应用遍布人类社会的各行各业,在当今世界它已经占据了重要地位,芯片的发展趋势是提高集成度、减小芯片尺寸和增大其主频。于是如何在高热流密度下的冷却电子设备芯片的问题越来越受到大家重视。

在解决电子设备冷却问题时,选择和设计一种合适的散热器是十分重要的环节。散热器的性能好坏与诸多因素有关,如散热器的结构和周围热流空气的流速等等[1],从而性能模拟的方法已经成为研究散热器性能好坏的一种重要研究方法。众多学者为此也对散热器有关方面进行了研究探索。例如,Yeh[2]分析了最佳尺寸矩形翅片和圆柱形翅片的传热系数及翅片尖端传热情况;付娟[3]对散热器翅片进行了优化设计;牛永红,刘宗攀,庞赟佶[4]对CPU芯片散热器的翅片式、翅柱式、交叉柱式三种结构的三维物理模型进行了数值模拟比较分析。

由于针形翅片式散热器相比与其他形式的散热器有诸多优点,因此有众多国内外学者对其进行了研究,如华南理工大学化工机械与安全工程研究所对此进行了多年的研究,并与中国石化集团公司北京设计院合作,对针翅管传热效果及流体力学性能、结构优化等方面进行了研究[5]。

根据电子学理论,过热所导致的电子迁移现象[6]是损坏CPU内部的芯片主要原因。电子迁移是指电子流动所导致的金属原子迁移的现象,这将使得金属原子脱离金属表面四处流动,结果就导致金属表面上形成坑洞或土丘。这是一个不可逆转的永久性伤害,最终将会导致核心电路的短路或者断路,彻底毁坏CPU。这种现象受到多种因素的影响,其中最主要的因素是温度。

二.翅片散热器工作原理

翅片式散热器是气体与液体热交换器中使用最为广泛的一种换热设备。它通过在普通的基管上加装翅片来达到强化传热的目的。基管可以用钢管、不锈钢管、铜管等。翅片也可以用钢带、不锈钢带、铜带、铝带等。

电子元件[7](如CPU、LED、IGBT等)在工作的时候,会产生大量的热量。由于本身表面积有限,无法及时散发热量,我们就通过给它外接散热器的办法,帮助它增大散热面积。翅片散热器是由许多的翅片组成,目的为的是加大散热面积。当电子元件的热量传导到散热器后,会迅速扩散到所有翅片表面[8,9];风扇(自然循环无风扇,通过自然空气对流冷却)往散热器的翅片上面吹风,风可以带走热量,这样电子元件持续工作,持续发热,持续传导,散热器持续吸收热量,风扇持续吹走热量,这样反复循环,从而达到为电子元件降温的效果[10,11]。

此外,一般在电子元件与散热器之间会有一层硅脂[13],因为电子元件与散热器底座的表面不可能是完全平整的,他们在接触的时候,中间不可避免的会留有空隙,那么导热就不好,使用硅脂,就是起到填补空隙,使得电子元件表面的热量能够尽可能多的传导到散热器的目的。但是,必须要明确一点,无论哪种导热硅脂或散热胶带,其作用只能是辅助性的,与散热底座材质相比,其热阻大了很多倍。要实现散热器底座的热传导能力最大化,还要首先必须保证散热器底座的光滑与平整,这样才真正减小散热器与电子元件接触面之间的空隙。

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