散熱器優(yōu)化設(shè)計
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
散熱器優(yōu)化設(shè)計的實例教程
在Amulaire，我們利用Flomerics 公司的Flotherm計算流體動力（CFD）軟件，對不同假設(shè)情況下的IGBT進行散熱器優(yōu)化設(shè)計。我們選擇該軟件包的主要原因是它可以自動優(yōu)化散熱器設(shè)計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)計目標。軟件自動生成和運行所需模擬量，以探究最佳成本效益下的整個設(shè)計空間。分別運行所有的不同組合，然后Flotherm生成響應界面，顯示設(shè)計目標值。
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
流體分析和散熱器優(yōu)化，以界定IGBT散熱器風扇組件的限度范圍。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（型號為6061-T6）制散熱器被用來優(yōu)化啟動點。代表comair rotron模型mt12b3軸流風機的風扇曲線提供了通過導管式散熱器的強迫對流情況。該風扇具有的最大氣流量達0.1415立方米每秒（cmps）(300cfm)，最大靜壓力達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。因為仿真中應用到的風扇曲線，流量，流速和壓力降受到這些設(shè)計參數(shù)的影響。
圖4：優(yōu)化響應界面，結(jié)合設(shè)計目標使工程師能夠?qū)⑼暾幕?em>設(shè)計可視化。
從10個翅片開始，一個翅片的厚度為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，從以往優(yōu)化值開始，另外運行十次求解。如果優(yōu)化值沒有達到最小或最大值，則在正負10%范圍內(nèi)另外運行十次求解。如果始于同一點進行第二次運行后，優(yōu)化值不變，則在正負5%范圍內(nèi)開始運行20次求解。如果優(yōu)化值還是不變，則認為求解完成。
展開 節(jié)選自陳繼良《從零開始學散熱》
特別感謝作者和機械工業(yè)出版社授權(quán)
散熱器是電子產(chǎn)品熱設(shè)計中最常用到的散熱強化部件。其強化原理是增加換熱面積。同熱設(shè)計所有部件的設(shè)計類似，散熱器的優(yōu)化設(shè)計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發(fā)。
1、熱傳導——優(yōu)化散熱器擴散熱阻
當電子元器件上方附加散熱器時，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。經(jīng)典傳熱學中熱傳導可以用傅里葉導熱公式描述：
式中，表示x
方向的傳熱速率，其單位是；T
表示溫度，A
是導熱方向截面積，k
是導熱系數(shù)。
從上式可以看出，導熱系數(shù)和導熱截面積是熱傳導中影響傳熱效率的兩個關(guān)鍵變量。
在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導熱效能和經(jīng)濟性綜合表現(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 常見機加工材料在常溫下的導熱系數(shù)
提高導熱系數(shù)是為了降低擴散熱阻。擴散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長厚比較大時表現(xiàn)明顯。但材料的導熱系數(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化原理會在第九章詳細闡述，簡單來講，可以將其視為一種導熱系數(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，可以有效降低擴散熱阻，優(yōu)化散熱。
展開 圖2 電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的自動化優(yōu)化設(shè)計流程圖
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)化方案的實時驗證、評估和方案迭代，保證優(yōu)化方案的可行性；
2.基于AIPOD的自動化優(yōu)化流程，可以有效減少用戶手動操作的過程，基于優(yōu)化算法的自動尋優(yōu)也有助于發(fā)現(xiàn)新的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；
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，快速得到更好的散熱結(jié)構(gòu)。
應用價值
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，減少迭代設(shè)計的時間和人力成本。在硬件條件允許的情況下，可以同時進行多類散熱器的優(yōu)化設(shè)計。
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展開 優(yōu)化求解
每次優(yōu)化迭代求解完成后，icepak會列出該迭代步下的函數(shù)及變量對應的值。
由上圖可看出Icepak進行了四次計算，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次迭代對應的散熱器質(zhì)量小于第3次迭代對應的散熱器質(zhì)量，因此icepak給出的最優(yōu)解為第4次迭代對應的散熱器參數(shù)（fin_h為7.3mm，fin_count為13）。
查看此時的溫度云圖，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)化功能對散熱器進行優(yōu)化設(shè)計，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)計過程中，利用Icepak的優(yōu)化功能可以方便有效地對散熱器的形狀、質(zhì)量、熱阻等進行優(yōu)化，以達到設(shè)計要求。
展開 相信不少工程師在產(chǎn)品研發(fā)過程中都會遇到因器件過熱而影響板卡可靠性的問題，面對這種情況，散熱器的設(shè)計就十分關(guān)鍵。如何通過優(yōu)化散熱器設(shè)計來提高芯片的散熱性能，解決PCB板過熱問題，這讓很多工程師很是頭疼。看完下面的案例后你會發(fā)現(xiàn)，其實散熱器的優(yōu)化設(shè)計其實很容易。
本文的研究對象為帶兩個散熱器的CPIC卡板模型，目標是優(yōu)化位號為U7（上游）和 U8（下游）的兩個元件的散熱器。三個案例的優(yōu)化目標分別為：
■案例 1：使散熱器質(zhì)量最小，考慮其成本，越小越輕越好。
■案例 2：元件溫度最低可以達到多少？
■案例 3：如何使元件之間的溫差最小？如果工作在相同溫度，電氣功能會更好。
我們將利用如下環(huán)境參數(shù)進行PCB仿真。氣流方向如圖所示。
■海拔：海平面
■環(huán)境溫度：55°C
■上游風速：400 ft/min
■槽間距：0.8 in
電路板布局如圖所示， PCB定義如下：
■ 疊層：2S2P
■ PCB 尺寸：100 mm x 160 mm
■ PCB 厚度：1.6 mm
■ 總功率：22.5 W
U7（上游）和U8（下游）建模為2R精簡熱模型，與熱設(shè)計相關(guān)的具體參數(shù)如下：
■ RJC：0.5°C/W
■ RJB：20°C/W
■ TIM：0.5°Cin2/W
結(jié)合優(yōu)化目標及相關(guān)約束條件，分析如下三個案例：
■案例 1：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最小，兩個散熱器完全相同，U8結(jié)溫維持在100°C。
■案例 2：使U8結(jié)溫最低。U7和U8散熱器完全相同。
■案例 3：使U7和U8散熱器的質(zhì)量最小；兩個散熱器的外形結(jié)構(gòu)相同，但鰭片長度不同；U8結(jié)溫維持在100°C。此外，U7和U8結(jié)溫之差以1°C為限。
展開 
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散熱器優(yōu)化設(shè)計的最新內(nèi)容
作品名稱：氣液兩相流仿真技術(shù)研究與應用實踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設(shè)計高級系統(tǒng)工程師
關(guān)鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設(shè)計優(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、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)計與優(yōu)化平臺，SynMatrix 提供端到端的一體化解決方案，可實現(xiàn)自動 3D 建模與智能優(yōu)化：AI 驅(qū)動濾波器綜合與參數(shù)提取，設(shè)計效率提升 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)計和優(yōu)化』研討會為您展開介紹Ansys Lumerical 2025 R2 最新功能，同時將會帶來微環(huán)調(diào)制器的仿真優(yōu)化全流程介紹等，感興趣的下滑預約學習??
時間：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)計能力，開展重力熱管、蒸發(fā)流道、3D散熱器的仿真實踐，仿真精度達到80%以上，指導了散熱器的設(shè)計優(yōu)化，具有良好的工程價值。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。
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說明
本示例演示通過1×2端口多模干涉(MMI)耦合器計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處使用 taper 以確保輸入和輸出波導的模式與干涉區(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、高性能計算和圖形處理需求爆炸式增長的時代，GPU服務器已成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的核心驅(qū)動力。然而，隨著計算密度的持續(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)散熱解決方案在應對新一代300W+ TDP的GPU時已顯得力不從心，導致：
? 芯片溫度頻繁觸及105℃臨界值，觸發(fā)降頻保護機制
? 冷卻系統(tǒng)噪音高達65分貝以上
衍射分束器能夠通過預先設(shè)置的功率比值將單束激光分割成多束，廣泛應用于激光材料加工和光學計量等領(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)計和優(yōu)化可能具有難度。VirtualLab Fusion為光學工程師提供了幾個工具來幫助他們完成這項任務。
為了說明一般工作流程，我們展示了兩個案例：在第一個案例中，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，補償，枕形，桶形，畸變，強度衰減，信號場準備，衍射光學元件，損耗，期望光目標圖案，迭代傅里葉變換算法
1. 建模描述
設(shè)計擴散器以在遠場生成高數(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，補償，枕形，桶形，畸變，強度衰減，信號場準備，衍射光學元件，損耗，期望光目標圖案，迭代傅里葉變換算法
1.建模描述
設(shè)計擴散器以在遠場生成高數(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
此案例演示了設(shè)計和優(yōu)化衍射光學元件的（DOE）作為光擴散器，來生成矩形高帽圖樣。
1.建模任務
DOE：擴散器
直徑：1.4mm X 1.4mm
相位等級：2
像素尺寸：>1um
2.照明光束參數(shù)
?波長：632.8nmm
?激光光束直徑（1/e2）：700um
3.期望輸出場參數(shù)
