风冷式散热器设计与研究

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1
1.1 课题来源
本学位论文得到以下项目的联合资助： 国家自然科学基金重点项目“机电表面功能结构及相关热物理问题的基础 研究”（批准号： 50436010） ； 国家重点基础研究发展计划 （973） 项目“数字化制造基础研究”。 （批准号： 2005CB724100） ； 全国优秀博士论文作者专项基金资助项目（200027） 。
绪
论
1.2 研究背景和意义
电子工业正成为 21 世纪全球第一大产业， 电子工业的水平和规模已成为衡量一 个国家综合国力的重要标志之一。 到 2004 年， 我国电子信息产业销售收入达到 2.65 万亿元，对 GDP 增长的贡献率达 13.9%。预计到 2010 年，全行业销售收入将达到 6.5 万亿元，工业增加值为 1.4 万亿元，约占全国 GDP 的 7%。因此，国家在“十一 五”规划中已将电子信息产业作为整个经济发展的重要组织部分。 随着电子工业的飞速发展， 单以中央处理器 CPU 为例， 过去数十年的研发才使 其频率达到 1GHz，而从本世纪初到现在，短短五年多的时间，处理器的最高频率 已经突破 4GHz 大关，甚至连摩尔定律也曾一度遭到质疑（根据摩尔定律，集成电 路的晶体管数量每隔 18~24 个月将会增加一倍）。晶体管数量的增加大大提升了处 理器的执行效率，但随之而来的问题就是功耗及发热量直线上升。如今，主流处理 器的功率已经接近 100W，并且在双核心处理器的研发下大有翻倍之势，而显卡也 紧随其后，功耗直逼处理器，散热问题更加引人关注。这一点也造就了散热产品市 场的蓬勃发展，一时间，“纯铜热管散热器”、“液压轴承风扇”、系统散热、风 道建设、“38°C 机箱”、“BTX 架构”一系列新名词相继出现[1]。 高集成度 CPU 芯片的可靠性对温度十分敏感， 主要失效形式是热失效。 研究表 明，随着温度的增加，其失效率呈指数增长趋势，即使是降低 1°C，也将使失效率 降低一个可观的量值，这对要求高可靠性的芯片尤为重要。由此可见，芯片散热、
关键词：散热片
优化设计
APDL UIDL
目标函数
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract
With the quickly development of electronics industry, the number of transistors integrated in CPU (Central Processing Unit) grows rapidly (from 2,300 in 1990 to 230,000,000 nowadays), and the line width of chip reduces rapidly. As a result, the power and the heat in CPU grow sharply, which results in that the function of CPU is impacted. Thus, the improvement of cooling performance of heat sinks becomes one of the key issues in electronic manufacture field. In this thesis, the cooling rules and structure optimization of air cooling system are studied deeply. After the structure characteristics of the existing CPU heat sinks are analyzed, CPU heat sinks analysis software and user interface are developed using UIDL (User-Interface Design Language) of ANSYS and integrated into ANSYS. By using this program, users can analyze the influence of various parameters to cooling performance of CPU heat sinks conveniently and quickly. The optimization process of heat sinks is a circular process of pre-solution, solving and post treatment. On the premise of satisfying the constraint of cooling space, the maximum temperature of heat sinks is minimized. The structure parameters of heat sinks are optimized in order to enhance the cooling performance of heat sinks. The concrete process is as follows: firstly, the design variables and objective function are defined and the optimization algorithms are chosen, secondly, the analysis and optimal control program is developed in ANSYS using ADPL (ANSYS Parametric Design Language), lastly the optimization module of ANSYS is used to implement the structure parametric optimization of heat sinks. A series of examples of analysis and structure parametric optimization of heat sinks are showed in order to validate the analysis and structure parametric optimization methods proposed in this thesis. Finally, the conclusion of this thesis and the advices for future research are given.
华中科技大学 硕士学位论文 风冷式CPU散热片的热分析及其优化设计 姓名：张远波 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：熊蔡华 20060508
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要
伴随着电子工业的快速发展，CPU(Central Processing Unit)呈现出集成的晶体管 数目急剧增加（从 1990 年的 2,300 个激增到现在的 230,000,000 个）和芯片线宽急 剧减小的趋势，导致 CPU 功耗的增大和积聚的热量急剧增加，严重影响 CPU 的正 常工作。 因此， 提高 CPU 散热片的散热性能已经成为电子制造领域中亟需解决的关 键问题之一。 针对 CPU 散热问题， 本文在风冷式散热片的散热规律及结构优化两个 方面开展了系统深入的研究。 在分析现有各种 CPU 散热片结构特点的基础上， 利用 ANSYS 的用户界面设计 语言 UIDL(User-Interface Design Language)，开发了 CPU 散热片热分析软件和用户 界面，并实现了与 ANSYS 的集成。利用该软件，用户可方便、快捷地分析各种结 构参数对 CPU 散热片散热性能的影响规律。 散热片的优化过程实际上是一系列的前处理－求解－后处理－优化的循环过 程。在满足散热空间约束的前提下，以使散热片中的最高温度值最小化为目标，对 散热片结构参数进行优化设计，从而达到提升散热片散热性能的目的。实现的具体 过程是在散热片热分析的基础上定义设计变量和目标函数、选择优化算法，在 ANSYS 环境中利用 APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言，开发热分析和 优化控制功能程序，然后调用 ANSYS 的优化模块实现散热片的结构参数优化。 同时给出了一系列的 CPU 散热片热分析和结构参数优化实例， 验证了本文提出 的热分析和结构参数优化设计方法。最后，对全文进行了总结，并对后续的研究工 作提出了一些建议。
关于 CPU 的散热问题， 国内外开展的研究工作大致包括两个方面： 一方面是对 CPU 芯片本身微结构的研究，另一方面是对 CPU 上安装的散热片的研究。 对于 CPU 芯片本身而言， 高热流密度芯片及微系统的散热冷却研究一直是非常 重 要 而 又 活 跃 的 研 究 领 域 。 由 美 国 国 防 部 高 级 项 目 规 划 署 (DARPA-Defense Advanced Research Projects Agency) 资 助 的 HERE31C(Heat Removal by Thermo—Integrated Circuits)项目计划旨在研发可与高密度、高性能的电子或光学器 件集成的固态和流态的散热器件。 其研究内容主要集中在四个方向： ①核心技术 （包 括异质结构热电离子致冷、热电致冷、相变、合成微喷、微流道等研究）；②集成 与封装；③建模与模拟；④实证演示。美国联邦政府的其它机构包括海军研究办公 室(ONR)、能源部(DOE)以及 NSF、NASA、NSA 等也对这一类研究进行了大范围 资助，同时半导体工业界在该方向的应用研究上也投入了大量财力，内容包括：设 计“冷”的芯片（降低功耗、平均分布热量、减少热点等）、对冷却方法的研究以 及对相关冷却技术的风险投资。学术界、工业界对芯片冷却这一主题的广泛研究使 得相关的学术活动非常活跃，重要的国际会议包括 ITHERM(International Workshop Oil Thermal Investigations of ICs and Systems) 、 SEMI-THERM(International Conference on Thermal, Mechanics and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems) 和 THERMINIC(Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium)等。同时，因芯片冷却技术的实用性，在研究的基础上还出现了一批致 力于芯片冷却应用技术的公司，如 MMR、CoolChips、Cooligy 等。美国很多大学也 成立了相应的研究中心，以促进相关技术向应用转化[2]。 在散热片的研究方面，有 C.J.Shih 等人的熵增最小化方法，这种方法是真实系 统热力优化的一种方法[3]。真实系统由于传热、流体流动、传质的热力不完美性产 生了熵增。此方法的特点在于计算最小熵增率。通过改变系统的一个或多个物理特 性，能使设计在受有限尺寸和有限时间约束的条件下，更接近熵增最小刻划的工作 条件。Bejan 和 Morega 通过最小化散热片的热阻对其进行优化设计。Minakami 和 Iwasaki 通过试验建立散热片形状和压降的关系，说明了随着散热片高度的增加，引 起热传导率的增加和压降的减小[4]。 到目前为止，国内外开展的关于提升散热片散热性能方面的研究工作主要集中 在散热形式和散热片的加工工艺上。
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图 1.1
Leabharlann Baidu
CPU 散热片结构发展演变过程
从图 1.1 中可以看出，散热片翅片形状的演变经历了简单到复杂的过程，演变 后的散热片在散热片面积相同的情况下，翅片周围对气流阻力更小，其散热通道更 利用空气流动，从而更多地带走翅片周围的热量，增强对流效果。
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.3 相关技术与研究现状
Key words: Heat Sinks, Optimization Design, APDL, UIDL, Objective Function
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
冷却问题已成为国际微电子和传热领域的研究热点。确保高热流密度条件下芯片热 量能及时排出，是芯片设计必须考虑的一个重要方面，对目前高集成度芯片而言， 已经是首要考虑的问题。若不对其热性能进行深入的研究，并采取相应的措施，将 严重影响高集成度芯片的热可靠性。进行有效的热分析、热设计，采用高效热控制 技术提高芯片可靠性已成为电子制造业急待解决的关键难题。因而研究怎样更好的 把 CPU 上产生的热量散发出去已成为电子制造业一个迫切需要解决的问题。 为了提高散热性能，散热片和风扇体积越来越大，风扇转速也越来越高，产生 极大的噪声，所以对于散热片散热性能的提高，在实际操作中有很多限制条件。例 如，在目前直板式散热片的设计和使用中，面临如下诸多的限制问题： 翅片高度不超过 0.05m； 散热片所占空间不超过 0.0005m3； CPU 最高温度不超过 90°C； 环境温度不超过 40°C； CPU 的功率不超过 200W； 散热片质量不超过 250g； 压降不超过 38pa； 风扇风速不大于 40cfm； 散热片翅片的形状和外型对散热片散热性能有较大影响，不同形状的散热片工 作时周围气体的流动过程是不同的，越利于空气流动的翅片形状其散热性能越好。 散热片形状的发展演化过程经历了简单直板式、复杂直板式、柱状式和太阳花式这 几种主要类型，图 1-1 列举的几种散热片很好的说明了这个演变过程。