来源：深圳市三烨科技有限公司
作者：杨帆
摘要：随着芯片技术的发展，近年来二代芯片已逐渐获得推广和应用，芯片的功能越来越强大，单位时间所产生的热量也越来越多，芯片功耗也越来越高，能否将它们工作时产生的热量及时并有效的散发出去，将直接影响芯片的工作性能、成本及可靠性，这就给芯片散热管理提出了更高的要求。本文将对该高功耗型芯片散热模组的相关热设计问题作一些分析，研究的是以一种高效传热器件 VC（Vapor Chamber，也称均温板）为散热模组的底板，匹配不同的散热鳍片，建立散热模组模型，通过仿真模拟，分析计算在不同材质鳍片和不同风速条件下的传热性能，研究得出满足高功耗二代芯片的散热模组产品方案，并对产品公差、平面度等结构要点作必要的经验说明，为这一类产品的热设计和产品开发提供一些参考。
关键词：二代芯片；散热模组；仿真模拟；
1、研究内容
1.1 二代芯片模组热设计方案说明。
1.2 芯片模组热分析结果。
1.3 相同条件，Cu Fin 改为 AL Fin 的计算结果。
1.4 使用 Cu Fin,风速由 3M/S 减为 1.5M/S的结果。
1.5 产品公差，平面度等结构说明。
2、二代芯片模组热设计方案
2.1 模组可用的空间 尺寸，L374xW109xH33。
2.2 产品方案采用 VC 为底板，VC 尺寸为L374xW109*H3.5。
2.3 鳍片采用铜 Cu1020 材质鳍片，尺寸L372.6xW109*H29.5；
鳍 片 Pitch=1.8；T=0.3mm；
鳍片数量：207PCS；冲压工艺，自动扣合成一体式模组鳍片。
2.4 VC 和扣合鳍片采用低温钎焊技术，把两者焊接为一体。
3、模组热分析
3.1 热分析边界条件。
3.1.1 模组可用的空间尺寸：L374xW109xH33。
3.1.2 热源（相当于芯片发热）功率：180W/ 颗 x4 颗。
热源尺寸：40.6mmx40.6mm（设定为面热源）。
热源分布：如图一所示，以散热模组居中排列。
3.1.3 设定空气流速：3M/S。
3.1.4 设定环境温度：45℃。
3.1.5 设定热源与 VC 底壳间相变导热硅脂导热系数：6.5W/M.K。
3.1.6 模拟芯片热特性（模拟结果判定标准）:MaxTj=88℃。Rj- Shell=0.1W/M.K。
3.2 模组的 VC 表面温度场，如图 2。
3.3 结果显示 VC 下壳体同各芯片的接触的区域中心温度在 66.8℃，各芯片之间基本相同，热分析结果良好。
4、相同边界条件，Cu Fin 改为 AL Fin 的计算结果
4.1 维持 3.1 的热分析边界条件不变。
4.2 把扣合鳍片材质从铜 1020 改为铝 1100。
4.3 模拟计算，导入模型和边界条件后的计算结果：
Maximum temperatures:
source.1 68.9962 ℃
source.1.1 68.9531 ℃
source.1.2 68.9773 ℃
source.1.3 69.0887 ℃
VC BOTTOM- SHELL.1 68.9002 ℃
4.4 根据热分析结果，计算芯片节温：
4.4.1 根据 4.3 模拟结果显示：
4.4.1.1面热源(相当于芯片的封装外壳上表面）的最高平均温度为 Tshell=69℃。
4.4.1.2 实体芯片的结到壳的热阻为：R（j- shell） 为 0.1W/M.K，则Δt( j- shell)=180x0.1=18℃。
4.4.2 根据以上结果，则在 45℃环境条件下，空气流速3M/S，芯片的结温 Tj：
Tj（模拟）=Tshell+ Δt( j- shell)=87℃
4.4.3 根据热分析及计算结果，可得结论如下：
Tj（模拟）=87℃
MaxTj（芯片结温允许最大值）=88℃
Tj（模拟）<maxtj（芯片结温允许最大值）< span>
扣合鳍片改为铝鳍片后，产品结构散热性能符合芯片的散热需求。
注：由于模拟计算没有考虑芯片贴装在线路板表面时部分热流可以通过线路板表面消散一部分，所以实际使用中的芯片节温应该比模拟的节温稍低。
5、使用 Cu Fin,风速由 3M/S 减为 1.5M/S 的结果
5.1 维持 3.1 的热分析边界条件不变。
5.2 把设定风速从 3M/S 减为 1.5M/S。
5.3 模拟计算，导入模型和边界条件后的计算结果
Maximum temperatures:
source.1 81.9346 ℃
source.1.1 81.8642 ℃
source.1.2 81.905 ℃
source.1.3 82.0315 ℃
VC BOTTOM- SHELL.1 81.8429 ℃
5.4 根据热分析结果，计算芯片节温
5.4.1 根据 4.3 模拟结果显示
5.4.1.1 面热源(相当于芯片的封装外壳上表面）的最高平均温度为 Tshell=81.8℃。
5.4.1.2 实体芯片的结到壳的热阻为：R（j- shell） 为 0.1W/M.K，则Δt( j- shell)=180x0.1=18℃。
5.4.2 根据以上结果，则在 45℃环境条件下，空气流速3M/S，芯片的结温 Tj：
Tj（模拟）=Tshell+ Δt( j- shell)=99.8℃
5.4.3 根据热分析及计算结果，可得结论如下：
Tj（模拟）=99.8℃
MaxTj（芯片结温允许最大值）=88℃
Tj（模拟）>MaxTj（芯片结温允许最大值）
风速从 3M/S 减为 1.5M/S，产品结构散热性能已超温较高，不符合芯片的散热需求。
6、热性能计算结果汇总
6.1 二代芯片模组热设计方案说明(3M/S)
Cu 1020 FIN, Tj= 84.9℃, 符合要求 （Max Tj= 88℃）
6.2 同 1 相同条件，Cu fin 改为 AL Fin 的计算结果
AL 1100 FIN, Tj= 87℃, 符合要求（Max Tj= 88℃）
6.3 使用 Cu Fin, 风速由 3M/S 减为 1.5M/S 的结果
Cu 1020 FIN, Tj= 100℃, 不符合要求（Max Tj= 88℃）
7、产品公差、平面度、关键件 VC 等结构特性说明
7.1 VC 单体外围尺寸的宽度 +/- 0.30 mm，厚度公差可以控制在 +/- 0.25mm，VC 总长度控制 +/- 0.5mm；
7.2 VC 单体的整体平面度控制在 1.5mm, 4 个热源局部区域（45X45）平面度控制在 0.07mm 以内；
7.3 VC 单体定位螺丝孔间距控制在 +/- 0.15mm 以内；
7.4 整体产品外围尺寸的宽度 +/- 0.60 ，高度公差可以控制在 +/- 0.40，总长度控制 +/- 1.5；
7.5 考虑到产品的螺丝安装后的紧张力度较大，单体 VC 会做表面硬化，避免 VC 的锁螺丝耳位变形。如果必要，还可以在螺孔区域增加钢板支架一体焊接成型，进一步加强结构强度，确保 VC 表面和芯片良好接触，长久运行不变形；
7.6 弹簧选用特殊钢材质和优化的生产工艺，减少压并的不可逆变形量，大幅度减弱因弹簧钢性疲劳，锁压力度减弱，导致散热性能下降，甚至失效的风险。
8、结论
根据上述分析及计算结果，可以接到如下结论：
8.1 如 1.1 结构设计的产品 Tj（模拟）=84.9℃<maxtj（芯片结温允许最大值 88℃）< span>满足二代芯片散热需求；产品结构设计为二代芯片散热提供了一个新的方案选择。
8.2 在同等结构条件下，把 Cu Fin 改为 AL Fin
Tj（模拟）=87℃<maxtj（芯片结温允许最大值 88℃）。< span>满足二代芯片散热需求；铝扣合鳍片比铜扣合鳍片在产品成本、产品重量上更有优势；如果铝鳍片也能满足散热需求，建议推荐使用铝鳍片散热器；但是由于铝鳍片的计算温度只比需求温度低 1℃，安全系数较低，材质替换时还需要进一步的实际测试验证。
8.3 在同等结构条件下，风速由 3M/S 减为 1.5M/S
Tj（模拟）=99.8℃ >MaxTj（芯片结温允许最大值 88℃）已不能满足二代芯片散热需求；根据此结构，产品在实际应用过程中，要求风量风速匹配达到 3M/S 左右，过多降低风速会严重影响到产品性能，需要谨慎。
注释：VC（Vapor Chambers）直译叫蒸汽腔，业内一般叫均温板、均热板、平面热管，是利用液体低压相变原理制造的，可以将热量沿平面快速均匀传达。