散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-12-29
散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)例教程
節(jié)選自陳繼良《從零開始學(xué)散熱》
特別感謝作者和機(jī)械工業(yè)出版社授權(quán)
散熱器是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中最常用到的散熱強(qiáng)化部件。其強(qiáng)化原理是增加換熱面積。同熱設(shè)計(jì)所有部件的設(shè)計(jì)類似，散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發(fā)。
1、熱傳導(dǎo)——優(yōu)化散熱器擴(kuò)散熱阻
當(dāng)電子元器件上方附加散熱器時(shí)，熱量從器件內(nèi)部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內(nèi)部的傳遞都屬于熱傳導(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)熱公式描述：
式中，表示x
方向的傳熱速率，其單位是；T
表示溫度，A
是導(dǎo)熱方向截面積，k
是導(dǎo)熱系數(shù)。
從上式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個(gè)關(guān)鍵變量。
在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟(jì)性綜合表現(xiàn)是比較好的。因此常見的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金。
表6-1 常見機(jī)加工材料在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)
提高導(dǎo)熱系數(shù)是為了降低擴(kuò)散熱阻。擴(kuò)散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長厚比較大時(shí)表現(xiàn)明顯。但材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高是有限的，提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導(dǎo)熱截面面積出發(fā)的手段，又受到空間的限制。這樣，熱管和均溫板的使用，在某些熱流密度大的場景就非常有優(yōu)勢。
熱管和均溫板的具體選用和散熱強(qiáng)化原理會(huì)在第九章詳細(xì)闡述，簡單來講，可以將其視為一種導(dǎo)熱系數(shù)極高的傳熱部件。在高熱流密度的場景中，通過在散熱器底部鑲嵌熱管或均溫板，可以有效降低擴(kuò)散熱阻，優(yōu)化散熱。
展開 優(yōu)化求解
每次優(yōu)化迭代求解完成后，icepak會(huì)列出該迭代步下的函數(shù)及變量對(duì)應(yīng)的值。
由上圖可看出Icepak進(jìn)行了四次計(jì)算，3和4這兩次迭代求解滿足了系統(tǒng)的溫度要求。由于第4次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量小于第3次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量，因此icepak給出的最優(yōu)解為第4次迭代對(duì)應(yīng)的散熱器參數(shù)（fin_h為7.3mm，fin_count為13）。
查看此時(shí)的溫度云圖，系統(tǒng)最高溫度為69.7℃，滿足低于70℃的要求。
6. 總結(jié)
本文通過Ansys Icepak的優(yōu)化功能對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電子系統(tǒng)的溫度能處于規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，說明電子產(chǎn)品在熱設(shè)計(jì)過程中，利用Icepak的優(yōu)化功能可以方便有效地對(duì)散熱器的形狀、質(zhì)量、熱阻等進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
展開 在Amulaire，我們利用Flomerics 公司的Flotherm計(jì)算流體動(dòng)力（CFD）軟件，對(duì)不同假設(shè)情況下的IGBT進(jìn)行散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們選擇該軟件包的主要原因是它可以自動(dòng)優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)或其他任何方面的熱管理。以成本函數(shù)的形式，在關(guān)鍵參數(shù)變化范圍內(nèi)，用戶只需定義設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件自動(dòng)生成和運(yùn)行所需模擬量，以探究最佳成本效益下的整個(gè)設(shè)計(jì)空間。分別運(yùn)行所有的不同組合，然后Flotherm生成響應(yīng)界面，顯示設(shè)計(jì)目標(biāo)值。
圖3：優(yōu)化過程中散熱器熱阻值降低
優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)
流體分析和散熱器優(yōu)化，以界定IGBT散熱器風(fēng)扇組件的限度范圍。電力電子電路采用直接鍵合式銅技術(shù)，該技術(shù)利用帶有銅制散熱器的電子模塊。將模塊式散熱組件和使用熱油脂接口的散熱器通過螺栓連接在一起。鍛鋁（型號(hào)為6061-T6）制散熱器被用來優(yōu)化啟動(dòng)點(diǎn)。代表comair rotron模型mt12b3軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇曲線提供了通過導(dǎo)管式散熱器的強(qiáng)迫對(duì)流情況。該風(fēng)扇具有的最大氣流量達(dá)0.1415立方米每秒（cmps）(300cfm)，最大靜壓力達(dá)206帕斯卡（水下0.811英寸.）。循序優(yōu)化求解被用來優(yōu)化翅片數(shù)量，翅片厚度和基本軸向厚度。因?yàn)榉抡嬷袘?yīng)用到的風(fēng)扇曲線，流量，流速和壓力降受到這些設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。
圖4：優(yōu)化響應(yīng)界面，結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)使工程師能夠?qū)⑼暾幕?dòng)設(shè)計(jì)可視化。
從10個(gè)翅片開始，一個(gè)翅片的厚度為0.4毫米，基本軸向厚度為4毫米，優(yōu)化過程中允許在正負(fù)30%范圍內(nèi)調(diào)整變量。如果優(yōu)化變量處于范圍內(nèi)最低或最高點(diǎn)，從以往優(yōu)化值開始，另外運(yùn)行十次求解。如果優(yōu)化值沒有達(dá)到最小或最大值，則在正負(fù)10%范圍內(nèi)另外運(yùn)行十次求解。如果始于同一點(diǎn)進(jìn)行第二次運(yùn)行后，優(yōu)化值不變，則在正負(fù)5%范圍內(nèi)開始運(yùn)行20次求解。如果優(yōu)化值還是不變，則認(rèn)為求解完成。
展開 圖2 電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
圖3 AIPOD優(yōu)化流程搭建示意圖，只需要簡單的流程搭建即可開始優(yōu)化
1.基于參數(shù)化建模方法，有助于AIPOD優(yōu)化方案的實(shí)時(shí)驗(yàn)證、評(píng)估和方案迭代，保證優(yōu)化方案的可行性；
2.基于AIPOD的自動(dòng)化優(yōu)化流程，可以有效減少用戶手動(dòng)操作的過程，基于優(yōu)化算法的自動(dòng)尋優(yōu)也有助于發(fā)現(xiàn)新的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；
3.基于AIPOD中集成的智能優(yōu)化算法，可以有效幫助電子芯片散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，快速得到更好的散熱結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用價(jià)值
1.有效提高散熱系統(tǒng)的平均熱流密度，在相同工作環(huán)境下，平均熱流密度可以提高5%左右；
2.高效輔助電子芯片散熱器設(shè)計(jì)，減少迭代設(shè)計(jì)的時(shí)間和人力成本。在硬件條件允許的情況下，可以同時(shí)進(jìn)行多類散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
相關(guān)案例
如對(duì)相關(guān)軟件感興趣，可以
聯(lián)系我們
或申請(qǐng)
軟件試用
。
展開 作者：顧雙峰
作者單位：同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院
摘要
:
文中以某款汽車座艙控制器為例，闡述了基于Icepak的電子產(chǎn)品散熱仿真分析方法，包括仿真模型的創(chuàng)建及求解分析的過程，并基于軟件自帶的響應(yīng)面優(yōu)化模塊，對(duì)產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到最適合此案例的散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)。
結(jié)果表明:相較于原方案，芯片結(jié)溫降低了約4℃，散熱結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量減小約25%，證明了該設(shè)計(jì)方法可有效提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性。
關(guān)鍵詞:控制器散熱設(shè)計(jì);Icepak熱分析軟件;散熱優(yōu)化
0 ，引言
隨著汽車電動(dòng)化、智能化逐漸成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，作為汽車執(zhí)行決策的“大腦”，電子控制器已經(jīng)成為汽車零部件中最為重要的組成之一。隨著集成的功能越來越多，控制器的可靠性必然成為設(shè)計(jì)中最為重要的關(guān)注點(diǎn)之一。
“阿雷尼厄斯十度法則”指出: 電子元器件工作溫度每降低10℃，壽命將增加1倍;溫度每升高10℃，壽命將縮短1/2。根據(jù)美軍的分析報(bào)告，大約50%的電子設(shè)備失效案例由工作環(huán)境的高溫導(dǎo)致。因此，將電子設(shè)備的工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，是工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最重要的關(guān)注點(diǎn)之一。
座艙控制器模塊一般布置在汽車的前艙內(nèi)，可用空間十分有限，如何在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制器電路板的有效散熱是開發(fā)時(shí)的難點(diǎn)之一。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般是基于已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行理論計(jì)算，并基于實(shí)物樣件進(jìn)行元器件溫度測試，最終再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電路板上元器件布局或者增加散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
。
這樣的開發(fā)過程時(shí)間冗長，且設(shè)計(jì)和更改成本很高，在汽車設(shè)計(jì)周期越來越短的今天，嚴(yán)重制約了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展
。
展開 
散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化的最新內(nèi)容
作品名稱：氣液兩相流仿真技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設(shè)計(jì)高級(jí)系統(tǒng)工程師
關(guān)鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化
作者說
Ansys Fluent提供多種多相流模型，如VOF模型、混合物模型、歐拉模型等，可用于模擬氣液兩相流蒸發(fā)冷凝相變現(xiàn)象。
在高速發(fā)展的無線通信、衛(wèi)星系統(tǒng)與毫米波應(yīng)用中，平面濾波器已成為射頻與微波工程的核心組件。如何在緊湊設(shè)計(jì)、低損耗與高性能之間取得平衡，是工程師們面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
作為一款完全集成于 Ansys HFSS 的射頻濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化平臺(tái)，SynMatrix 提供端到端的一體化解決方案，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 3D 建模與智能優(yōu)化：AI 驅(qū)動(dòng)濾波器綜合與參數(shù)提取，設(shè)計(jì)效率提升 50%以上；無縫 HFSS
11月5日，Ansys官方『Ansys Lumerical 最新功能解析與微環(huán)調(diào)制器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化』研討會(huì)為您展開介紹Ansys Lumerical 2025 R2 最新功能，同時(shí)將會(huì)帶來微環(huán)調(diào)制器的仿真優(yōu)化全流程介紹等，感興趣的下滑預(yù)約學(xué)習(xí)??
時(shí)間：11月5日（星期二），16：00-17：00
內(nèi)容簡介：
介紹 Ansys Lumerical
本研究梳理了兩相流仿真技術(shù)的情況，基于VOF+Lee模型的方法建立了正向設(shè)計(jì)能力，開展重力熱管、蒸發(fā)流道、3D散熱器的仿真實(shí)踐，仿真精度達(dá)到80%以上，指導(dǎo)了散熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有良好的工程價(jià)值。此外，本研究思考并提出未來氣液兩相流仿真的發(fā)展方向，為行業(yè)提供了參考。
1、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段： 對(duì)PCB布局、元器件選型、散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)道優(yōu)化等進(jìn)行精確仿真， pinpoint潛在過熱風(fēng)險(xiǎn)，并提出改進(jìn)方向。
2、設(shè)計(jì)驗(yàn)證與優(yōu)化： 在物理樣機(jī)制作之前，完成虛擬驗(yàn)證，減少試錯(cuò)次數(shù)，顯著降低研發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。
附件下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
說明
本示例演示通過1×2端口多模干涉(MMI)耦合器計(jì)算寬帶傳輸和光損耗，并使用S參數(shù)在 INTERCONNECT 中創(chuàng)建 MMI 的緊湊模型。
綜述
低損耗光耦合器和光分路器是基于 Mach-Zehnder 的光調(diào)制器的基本組件，是集成電路的關(guān)鍵組成部分。通過在輸入和輸出波導(dǎo)處使用 taper 以確保輸入和輸出波導(dǎo)的模式與干涉區(qū)域之間的良好匹配
突破散熱極限，釋放GPU算力潛能
GPU散熱面臨的挑戰(zhàn)
在人工智能、高性能計(jì)算和圖形處理需求爆炸式增長的時(shí)代，GPU服務(wù)器已成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的核心驅(qū)動(dòng)力。然而，隨著計(jì)算密度的持續(xù)攀升，散熱問題正成為制約性能釋放的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)散熱解決方案在應(yīng)對(duì)新一代300W+ TDP的GPU時(shí)已顯得力不從心，導(dǎo)致：
? 芯片溫度頻繁觸及105℃臨界值，觸發(fā)降頻保護(hù)機(jī)制
? 冷卻系統(tǒng)噪音高達(dá)65分貝以上
衍射分束器能夠通過預(yù)先設(shè)置的功率比值將單束激光分割成多束，廣泛應(yīng)用于激光材料加工和光學(xué)計(jì)量等領(lǐng)域。但是由于非近軸、高數(shù)值孔徑分束和衍射角所需的特征尺寸較小，這種器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化可能具有難度。VirtualLab Fusion為光學(xué)工程師提供了幾個(gè)工具來幫助他們完成這項(xiàng)任務(wù)。
為了說明一般工作流程，我們展示了兩個(gè)案例：在第一個(gè)案例中，我們采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)和基于薄元近似（TEA）
案例385（2.0）
關(guān)鍵字：大角度設(shè)計(jì)，補(bǔ)償，枕形，桶形，畸變，強(qiáng)度衰減，信號(hào)場準(zhǔn)備，衍射光學(xué)元件，損耗，期望光目標(biāo)圖案，迭代傅里葉變換算法
1. 建模描述
設(shè)計(jì)擴(kuò)散器以在遠(yuǎn)場生成高數(shù)值孔徑光圖案
? 光源參數(shù)：
— 高斯光源波長：532nm
— 根據(jù)最終的衍射光學(xué)元件選擇合適的直徑
? 系統(tǒng)參數(shù)：
— 衍射元件到屏幕距離：
案例385（2.0）
關(guān)鍵字：大角度設(shè)計(jì)，補(bǔ)償，枕形，桶形，畸變，強(qiáng)度衰減，信號(hào)場準(zhǔn)備，衍射光學(xué)元件，損耗，期望光目標(biāo)圖案，迭代傅里葉變換算法
1.建模描述
設(shè)計(jì)擴(kuò)散器以在遠(yuǎn)場生成高數(shù)值孔徑光圖案
?光源參數(shù)：
—高斯光源波長：532nm
—根據(jù)最終的衍射光學(xué)元件選擇合適的直徑
?系統(tǒng)參數(shù)：
—衍射元件到屏幕距離：z=0.5m
?輸出場要求
