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Réseau de résistance thermique et simulation CFD : méthodologie d'ingénierie pour la conception quantitative des dissipateurs thermiques

Premièrement, d'un réseau de résistance thermique unidimensionnel à un champ de température tridimensionnel

Le point de départ de la conception du dissipateur thermique est souvent un diagramme du réseau de résistance thermique. Le chemin de la chaleur de la jonction de la puce à l'air ambiant est décomposé en : jonction à la coque (Rhtjc, résistance interne du paquet de puces), coque à dissipateur thermique (Rhtcs, résistance thermique TIM), dissipateur thermique à l'environnement (Rhtsa, convection + rayonnement). Parmi eux, Rhtsa peut être décomposé en résistance thermique à la diffusion du substrat du dissipateur thermique (Rhtspread), résistance thermique à conductivité thermique unidimensionnelle des ailettes (Rhtfin) et résistance thermique à la convection (Rhtconv). Modèle de circuit en série : résistance thermique totale = Rhtjc + Rhtcs + Rhtspread + Rhtfin + Rhtconv.

Cette méthode de paramètres centralisée est rapide et efficace dans les estimations initiales, mais le plus gros inconvénient est qu'elle suppose une distribution de température uniforme, alors qu'en fait il y a un violent effet de diffusion thermique 2D / 3D sur le substrat sous la puce. Pour les puces avancées avec un flux de chaleur local jusqu'à 200 W / cm ², la résistance thermique à la diffusion peut dominer, et même conduire à la formation de "points chauds" dans le substrat, ce qui fait que la température locale est beaucoup plus élevée que la température moyenne. La simulation CFD doit être utilisée pour le moment.

Les équations fondamentales de la simulation informatique de la dynamique des fluides

CFD résout trois équations aux dérivées partielles couplées :

1. équation de continuité
   (Conservation de la masse) : Serait / Serait + · (ρ u) = 0
   

2. équation de moment
   ( Navier-Stokes ) : kes (ρu) / kes t + ② · (ρuu) = - ② p + ② · (τ) + ρg
   

3. équation énergétique
   : kes (ρh) / kes t + ② · (ρuh) = ② · (k T) + S _ h
   

Pour la conduction thermique dans un dissipateur thermique, l'équation d'énergie est réduite à l'équation de conduction thermique solide (avec un terme de convection nul). Pour le domaine de l'air, un modèle de turbulence complet (le modèle k-ε le plus courant ou le modèle SST k-ω plus avancé) doit être résolu pour capturer avec précision la vitesse et la température dans la couche limite proche de la paroi - car
80 % du coefficient de transfert thermique convectif dépend de la sous-couche visqueuse de la couche limite avec une épaisseur de seulement quelques dizaines de microns
。

III. Ansys Icepak : faire face à des surfaces complexes et à la multiphysique

Icepak est basé sur le solveur Fluent et utilise un maillage non structuré (noyau tétraédrique / hexaédrique), qui est hautement adaptable aux géométries courbes (par exemple, ailettes circulaires, conduits d'air de forme spéciale). L'avantage unique d'Icepak est qu'il peut être couplé de manière transparente avec Ansys Mechanical et Maxwell pour electro-thermal-structural analyse à trois champs. Par exemple, les dissipateurs thermiques des amplificateurs RF haute puissance doivent prendre en compte à la fois la source de chaleur distribuée dans l'espace générée par les pertes électromagnétiques (de Maxwell), le changement de résistance thermique de contact causé par la déformation thermique (de Mechanical) et l'évaluation de la durée de vie en fatigue dans les cycles thermiques transitoires. Cette simulation couplée est beaucoup plus précise qu'une analyse thermique isolée.

En tant que stratégie de maillage, Icepak recommande de générer des maillages prismatiques à l'interface solide-fluide, d'au moins 3 à 5 couches, pour résoudre la couche de température de la couche limite. Pour les dissipateurs thermiques CPU typiques, les maillages sont généralement de 5 à 20 millions, et le temps de solution est d'environ 2 à 4 heures sur une station de travail à 16 cœurs.

FloTHERM : Le roi de l'efficacité axé sur la dissipation thermique électronique

Simcenter FloTHERM utilise des maillages cartésiens (maillages orthogonaux), qui sont générés presque instantanément sans intervention de l'utilisateur. Bien que l'approximation de la géométrie courbe produise une erreur de pas, cette erreur peut être contrôlée dans la plage acceptable d'ingénierie pour les dissipateurs thermiques à ailettes plates que l'on trouve couramment dans l'électronique grand public (

FloTHERM
Centre de commande
Le module dispose de puissantes capacités DOE (Conception d'expériences) et d'optimisation. Les ingénieurs peuvent définir des fonctions objectives (résistance thermique minimale ou poids minimum), définir des variables de conception (hauteur des ailettes, espacement, épaisseur, vitesse du ventilateur) et laisser le logiciel itérer automatiquement des centaines de simulations pour trouver les lois des quelques frontières vitales. Ce processus est presque impossible à faire manuellement.

V. Pièges clés pour simuler les conditions aux limites

La précision de la simulation dépend fortement de l'authenticité des conditions aux limites d'entrée. Voici trois pièges courants :

1. Erreur d'hypothèse de source de chaleur
   : Simplifiez la puce en tant que source de chaleur de surface uniforme, en ignorant la distribution multi-points chauds à l'intérieur. La pratique avancée consiste à utiliser la carte de distribution d'énergie fournie par le fabricant de la puce, ou à la calibrer par mesure de thermocouple.
   

2. La convection naturelle n'active pas le terme gravitationnel
   Dans le refroidissement par convection naturelle, la flottabilité est la seule force motrice. Sans activer le terme de gravité et régler la densité de l'air à l'approximation de Boussinesq, les résultats de la simulation prédisent à tort qu'il y a peu de débit et que la température est anormalement élevée.
   

3. Le rayonnement est ignoré ou surestimé
   : Lorsque la température de surface est inférieure à 100 ° C, le rayonnement ne représente généralement que 5 à 15 % de la dissipation thermique totale, ce qui peut être simplifié. Mais si la surface est noircie avec une émissivité élevée (émissivité> 0,9) et que le débit d'air est extrêmement faible (
   

Six, vérification de l'indépendance du réseau et critères de convergence

Toute simulation CFD doit être vérifiée pour l'indépendance de la grille avant l'analyse formelle. Méthode de fonctionnement : générez trois ensembles de grilles grossières, moyennes et fines (le nombre de grilles diffère d'au moins 2 fois) et calculez la température des emplacements clés (comme la température de jonction des puces). Différences entre les résultats de la grille et de la grille fine

Les critères de convergence sont généralement définis comme suit : les résidus d'énergie tombent en dessous de 1e-6, les résidus d'élan tombent en dessous de 1e-4 et les changements de température du point de surveillance sont inférieurs à 0,01 ° C pendant 100 itérations consécutives.

VII. Étalonnage en boucle fermée de la simulation aux essais

La simulation n'est jamais la même que la réalité physique. Le processus de développement le plus rigoureux est le suivant : conception de simulation thermique test thermique d'échantillon de production de moule ouvert (à l'aide d'une caméra thermique et d'un thermocouple) test de comparaison et paramètres de simulation d'étalonnage de déviation de simulation (tels que corrélation de convection côté air, déviation d'épaisseur TIM) correction de la conception de l'épreuve secondaire. Après deux tours de boucle fermée, la différence de température entre la simulation et le test peut être contrôlée à ±3 ° C. Cette base de données d'étalonnage est l'atout de connaissances de base de l'entreprise.

VIII. Conclusion

La simulation thermique a révolutionné le paradigme de conception des dissipateurs thermiques, passant de "experience-plus-test" à "conception prédictive". Mais le logiciel n'est qu'un outil, et la véritable expertise réside dans la configuration du bon modèle physique, l'interprétation précise des résultats de la simulation et le calibrage continu du modèle par des tests thermiques. À l'avenir, avec la prolifération de la simulation assistée par IA et du calcul haute performance dans le cloud, la simulation thermique en temps réel (Digital Twin) deviendra possible - chaque dissipateur thermique aura son jumeau numérique, qui reflète la température de fonctionnement en temps réel et prédit la durée de vie restante.

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