芯片偏置對(duì)散熱器傾斜程度影響分析

龔寶龍

（浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司高效能服務(wù)器與存儲(chǔ)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250101）

芯片偏置對(duì)散熱器傾斜程度影響分析

龔寶龍

（浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司高效能服務(wù)器與存儲(chǔ)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

芯片是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，所有電子產(chǎn)品都有不同功能用途的芯片［1］。在服務(wù)器及PC機(jī)內(nèi)部有大量的運(yùn)算芯片，功耗高的芯片溫度較高，需使用散熱器輔助高溫芯片散出熱量，如CPU散熱器、GPU散熱器等［2］。通常散熱器幾何中心會(huì)與芯片幾何中心重合以保證二者平穩(wěn)接觸，有些情況芯片中心會(huì)偏離散熱器中心一定距離，這種情況導(dǎo)致散熱器傾斜，可能降低散熱效率。因此，找出芯片相對(duì)于散熱器合適偏置位置，對(duì)芯片的工作效率提升、散熱狀況優(yōu)化、電子產(chǎn)品的平穩(wěn)高效工作有較大意義。

數(shù)值模擬技術(shù)具有耗時(shí)短、效率高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，通過(guò)數(shù)值模擬方法，分析多種不同的芯片偏置位置及散熱器傾斜狀況，比較散熱器傾斜程度，優(yōu)化芯片最佳的偏置位置，為芯片擺放提供最優(yōu)建議。

1 研究問(wèn)題概述

以服務(wù)器主板一款芯片為研究對(duì)象。服務(wù)器主板PCB（printed circuit board）板卡有多個(gè)高速運(yùn)算的芯片，功耗高的芯片溫度較高，常使用散熱器與芯片接觸的方式為芯片傳導(dǎo)散熱。大尺寸散熱器通常用四角固定的方式與芯片接觸，如CPU；小尺寸的散熱器常采用對(duì)角線兩角固定的方式與芯片接觸。

由于PCB表面元器件的擺放及線路的連接，芯片有時(shí)無(wú)法位于散熱器多個(gè)固定孔所組成的中心位置，當(dāng)散熱器對(duì)角線兩角固定時(shí)，芯片位置偏置導(dǎo)致其與散熱器接觸受力不均衡，散熱器會(huì)出現(xiàn)一定程度的傾斜，如圖1所示，散熱器傾斜現(xiàn)象會(huì)影響散熱效果。研究模型的芯片偏離散熱器中心距離為6.35 mm，沿正上方向。

先對(duì)初始芯片散熱器模型中散熱器的傾斜程度進(jìn)行仿真分析，傾斜程度用散熱器最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差表征。由于芯片散熱器模型屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，然后將芯片沿散熱器中線向上移動(dòng)不同位置進(jìn)行仿真，研究芯片沿正上方偏置不同距離對(duì)散熱器傾斜程度影響，其次研究芯片斜置對(duì)散熱器傾斜程度影響，最后提出芯片偏置位置優(yōu)化建議。

圖1 散熱器傾斜現(xiàn)象

2 分析模型及原理

2.1 幾何模型

對(duì)芯片散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及簡(jiǎn)化處理［5］，刪除不受力特征，如散熱翅對(duì)傾斜現(xiàn)象沒有影響，故可刪減。芯片散熱器模型由PCB板、芯片、硅脂及散熱器組成，如圖2所示。

圖2 芯片散熱器幾何模型

2.2 數(shù)學(xué)方程

采用有限元法對(duì)芯片散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)仿真。有限單元法的通用方程［6］為：

｛F｝為節(jié)點(diǎn)載荷列陣；［K］為單元?jiǎng)偠染仃?；｛δ｝為?jié)點(diǎn)位移列陣。

有限元法將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用單元近似函數(shù)分片表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。本模型所用到的材料物理性能如表1所示。散熱器采用鋁合金6063材料。

表1 材料物理性能

2.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)散熱器、硅脂、PCB板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，散熱器及硅脂單元平均尺寸為0.4 mm，PCB板平均尺寸為1 mm，網(wǎng)格劃分方法為Multizone，網(wǎng)格單元為六面體單元。芯片設(shè)定為剛體，不進(jìn)行網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)定。網(wǎng)格劃分后有125 447單元，577 196節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分局部如圖3所示。

圖3 芯片散熱器結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

對(duì)PCB板底面施加固定約束，對(duì)散熱器2個(gè)固定孔施加向下載荷，每個(gè)載荷大小為8.82 N，合力小于芯片所承受極限載荷19.5 N。芯片散熱器結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4 芯片散熱器結(jié)構(gòu)邊界條件

3 結(jié)果與分析

3.1 初始模型

初始模型的芯片位置偏離散熱器中心的距離為6.35 mm，沿正上方向。散熱器變形側(cè)視如圖5所示，正視變形分布如圖6所示。

圖5 散熱器變形側(cè)視圖

圖6 散熱器變形分布正視圖

傾斜程度用散熱器最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差表征。由圖5、圖6可知，散熱器傾斜高度差為0.196 mm。由于仿真進(jìn)行適量的簡(jiǎn)化處理，故仿真結(jié)果小于實(shí)際情況，但根據(jù)實(shí)際觀察，仿真變形分布規(guī)律與散熱器實(shí)際傾斜情況相似。

3.2 芯片沿正上方偏置

對(duì)芯片位于不用正上方位置的模型進(jìn)行仿真：置于散熱器中心、向上偏置1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm。以散熱器傾斜高度差衡量散熱器的傾斜程度為0.053～0.212 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)圖分析，芯片向正上方偏移時(shí)，散熱器的傾斜程度與芯片偏置距離呈線性關(guān)系。故芯片偏置距離越小，散熱器的傾斜程度越小。

3.3 芯片斜上方偏置

首先比較3種芯片位置：正上偏置3 mm，右3 mm上3 mm，左3 mm上3 mm。此3種芯片偏置位置引起散熱器傾斜程度為0.107～0.138 mm。

向上偏置3 mm時(shí)，再向左或向右偏置都會(huì)增加散熱器的傾斜程度，故向正上方偏置最佳，向左（遠(yuǎn)離固定孔對(duì)角線）其次，向右（靠近固定孔對(duì)角線）最差。

其次，在實(shí)際原始芯片位置（正上偏置6.35 mm）基礎(chǔ)上，分別向左和向右偏置2 mm，分析比較散熱器傾斜程度。此3種芯片偏置位置引起散熱器傾斜程度分別為0.196 mm，0.225 mm，0.204 mm。

向上偏置6.35 mm時(shí)（芯片初始位置），再向左或向右偏置都會(huì)增加散熱器的傾斜程度，故向正上方偏置最佳，向左（遠(yuǎn)離固定孔對(duì)角線）其次，向右（靠近固定孔對(duì)角線）最差。芯片斜置時(shí)，平衡芯片幾何中心至2個(gè)固定孔的距離，使芯片至2個(gè)固定孔距離差最小，可使散熱器傾斜程度最小。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用有限元分析方法，仿真分析多種芯片偏心位置及散熱器傾斜狀況，比較散熱器傾斜程度，優(yōu)化芯片最佳的偏置位置，為芯片擺放提供最優(yōu)建議。通過(guò)不同芯片位置對(duì)散熱器傾斜程度影響的分析，得出以下結(jié)論：芯片向正上方偏移時(shí)，散熱器的傾斜程度與芯片偏置距離呈線性關(guān)系。故芯片偏置距離越小，散熱器的傾斜程度越?。幌蛏掀靡欢ň嚯x后，還需再向左或向右偏置的話，都會(huì)增加散熱器的傾斜程度；芯片斜置時(shí)，平衡芯片幾何中心至2個(gè)固定孔的距離，使芯片至2個(gè)固定孔距離差最小，可使散熱器傾斜程度最小。本研究對(duì)芯片的工作效率提升、散熱狀況優(yōu)化、電子產(chǎn)品的平穩(wěn)高效工作有較大意義。

［1］ 陳希章，劉中良，馬重芳，等.電子芯片散熱器特性的測(cè)試研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（6）：995- 997.

［2］ 趙明，卞恩杰，楊茉，等.風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和肋高對(duì)芯片散熱器散熱性能的影響［J］.流體機(jī)械，2013（12）：60- 64.

［3］ 周岑，鄭凱鋒，范立礎(chǔ)，等.大跨度石拱橋的全橋結(jié)構(gòu)仿真分析研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（3）：89- 92.

［4］ 李捷，董洪全，殷玉楓，等.鈑金件模具在沖壓過(guò)程中的變形分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2006（8）：56- 58.

［5］ Cavazzuti M，Baldini A，Bertocchi E，et al.High performance automotive chassis design：a topology optimization based approach［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization.2011，44（1）：45- 56.

［6］ Khoei A R，Bakhshiani A.A hypoelasto- plastic finite strain simulation of powder compaction processes with density - dependent endochronic model［J］.International Journal of Solids and Structures.2004，41（22-23）：6081- 6110.

Effect Analysis of Chip Offset on Heat Sink Tilt Degree

GONG Baolong
（Inspur Electronics Information Industry Co.，Ltd.，State Key Laboratory of High- end Server and Storage Technology，Jinan 250101，China）

采用有限元分析方法，仿真分析多種芯片偏心位置及散熱器傾斜狀況，比較散熱器傾斜程度，優(yōu)化芯片最佳的偏置位置，為芯片擺放提供最優(yōu)建議。通過(guò)不同芯片位置對(duì)散熱器傾斜程度影響的分析，得出以下結(jié)論：芯片向正上方偏移時(shí)，散熱器的傾斜程度與芯片偏置距離呈線性關(guān)系。故芯片偏置距離越小，散熱器的傾斜程度越小；向上偏置一定距離后，還需再向左或向右偏置的話，都會(huì)增加散熱器的傾斜程度；芯片斜置時(shí)，平衡芯片幾何中心至2個(gè)固定孔的距離，使芯片至2個(gè)固定孔距離差最小，可使散熱器傾斜程度最小。

芯片偏置；散熱器傾斜；數(shù)值模擬；位置分析

By applying finite element analysis method，the effect of chip offset on heat sink tilt phenomenon is analyzed.The best offset location of chip was identified and some suggestions for chips were provided.According to the results，the following conclusions were drawn：when the chip offset is located directly above，the relationship between tilt of heat sink and chip offset distance is linear.Thus，as the chip offset distance decreases，the tilt degree decreases.If the offset is moved upward a certain distance and if its direction is required to be towards the left or towards the right，tilt of heat sink will increase.When the chip offsets obliquely，minimizing the distance between chip and two fixed holes，the tilt degree of the heat sink tilt can be minimized.

chip offset；heat sink tilt；numerical simulation；location analysis

TH124

A

1001- 2257（2015）08- 0003- 03

龔寶龍 （1988－），男，山西太原人，工學(xué)碩士，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬分析。

2015-03-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA01A208）。