风冷式CPU散热器的设计文档格式.docx

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andtheheatinCPUgrowsharply,whichresultsinthatthefunctionofCPUisimpacted.

Thus,theimprovementofcoolingperformanceofheatsinksbecomesoneofthekey

issuesinelectronicmanufacturefield.Inthisthesis,thecoolingrulesandstructure

optimizationofaircoolingsystemarestudieddeeply.

AfterthestructurecharacteristicsoftheexistingCPUheatsinksareanalyzed,CPU

heatsinksanalysissoftwareanduserinterfacearedevelopedusingUIDL（User-Interface

DesignLanguage）ofANSYSandintegratedintoANSYS.Byusingthisprogram,users

cananalyzetheinfluenceofvariousparameterstocoolingperformanceofCPUheat

sinksconvenientlyandquickly.

Theoptimizationprocessofheatsinksisacircularprocessofpre-solution,solving

andposttreatment.Onthepremiseofsatisfyingtheconstraintofcoolingspace,the

maximumtemperatureofheatsinksisminimized.Thestructureparametersofheatsinks

areoptimizedinordertoenhancethecoolingperformanceofheatsinks.Theconcrete

processisasfollows:

firstly,thedesignvariablesandobjectivefunctionaredefinedand

theoptimizationalgorithmsarechosen,secondly,theanalysisandoptimalcontrol

programisdevelopedinANSYSusingADPL（ANSYSParametricDesignLanguage）,

lastlytheoptimizationmoduleofANSYSisusedtoimplementthestructureparametric

optimizationofheatsinks.Aseriesofexamplesofanalysisandstructureparametricoptimizationofheatsinksareshowedinordertovalidatetheanalysisandstructureparametricoptimizationmethodsproposedinthisthesis.Finally,theconclusionofthisthesisandtheadvicesforfutureresearcharegiven.

Keywords:

HeatSinks,OptimizationDesign,APDL,UIDL,ObjectiveFunction

摘要...........................................................Ⅰ

ABSTRACT.................................................................Ⅱ

第1章工艺描述.....................................................1

1.1前景.............................................................1

1.2研究背景和意义..................................................1

1.3.1散热形式........................................................1

1.3.2散热片加工工艺...................................................1

1.4本文研究内容与章节安排...........................................1

第2章散热片热分析系统的设计与开发...................................3

2.1风冷式散热技术的原理..............................................3

2.2毕业论文（设计说明书）的版面要求…………………………………………3

2.2.1页边距的设置……………………………………………………………3

2.2.2纸张的设置………………………………………………………………3

2.2.3版式………………………………………………………………………3

2.2.4文档网格的设置…………………………………………………………4

2.3毕业论文（设计说明书）设有页眉及页码………………………………………4

3毕业论文（设计说明书）打印、排版规范…………………………………………………5

3.1中文摘要及关键词………………………………………………………………5

3.2英文摘要及关键词………………………………………………………………5

3.3目录………………………………………………………………………………5

3.4正文………………………………………………………………………………5

3.4.1正文中其他部分说明……………………………………………………6

3.5致谢………………………………………………………………………………6

3.6参考文献…………………………………………………………………………6

3.6.1参考文献的基本要求……………………………………………………6

3.6.2各类参考文献条目的编排格式及示例…………………………………6

3.7附录………………………………………………………………………………8

致谢…………………………………………………………………………………………9

参考文献……………………………………………………………………………………10

附录…………………………………………………………………………………………11

第一章工艺描述

1.1前景

电子原件的发热已经成为了制约微电子技术的瓶颈。

随着技术的发展，个人计算机CPU的功率越来越高，有的已经超过了100W。

考虑到CPU的几何尺寸，CPU单位面积上的发热量十分惊人。

因此，CPU的散热也越来越被人们重视。

风冷式散热技术是台式计算机中运用最广，也是最为成熟的散热技术。

目前绝大多数台式计算机采用肋片散热片与风扇的组合方式实现对CPU的冷却。

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、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°

..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。

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。

图1.1CPU散热片结构发展演变过程

1.3相关技术与研究现状

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-DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）资助的HERE31C（HeatRemovalbyThermo—IntegratedCircuits）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（InternationalWorkshopOilThermalInvestigationsofICsandSystems）、SEMI-THERM（InternationalConferenceonThermal,MechanicsandThermomechanicalPhenomenainElectronicSystems）和THERMINIC（SemiconductorThermalMeasurementandManagementSymposium）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。

1.3.1散热形式

1）风冷散热

对于风冷散热器而言，热传导与热对流是主要的热量传递方式，热辐射与热对

流和热传导有本质的不同，热辐射能把热量以光的速度穿过真空（空气）从一个物

体传给另一个物体（冷热物体不需要直接接触）。

在风冷散热器中，为便于分析一

般都把辐射换热折算成对流换热，加大对流换热系数来考虑辐射换热因素。

热传导

是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之间，因直接接触而

引起的热量交换，物体各部分之间不发生相对位移，热传导过程一直进行到接触物

体的温度相等为止，具体过程如下[5]：

（1）热量在CPU内的热传导（CPU放热）；

（2）热量从CPU表面传递到散热片底座（底部厚度范围内的热传导）；

（3）热量从散热底座传递到翅片端部（翅片范围内的热传导）；

（4）散热片内的热量通过风扇强制对流散发到空气中（热对流、散热片放热

和空气吸热）。

2）水冷散热

一套典型的水冷散热系统必须具备的部件包括：

水冷块、循环液、水泵、管道

和水箱或换热器。

水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接

触并将吸收CPU的热量。

循环液由水泵的作用在循环的管路中流动，如果液体是水，

就是俗称的水冷系统。

吸收了CPU热量的液体就会从CPU上的水冷块中流走，而

新的低温的循环液将继续吸收CPU的热量。

水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用

是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，让液冷散热系统正常工作。

水

箱用来存储循环液，换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有

大表面积的散热片，散热片上的风扇则将流入空气的热量带走。

目前，水冷散热器因为成本高，体积大，使用不安全等缺点很少被用户所采用。

3）热管散热

热管散热器，则主要利用热管内快速导热的材质，达到带走热量的目的，其结

构类似于风冷散热器，只是将热量传导的主要介质换成了热管，同样具有底座和散

热片，同样也可以利用风扇加快散热。

热管散热器具备散热效果好，整体成本较低

的优点，因此也逐渐在中、高端的CPU散热器中采用[6]。

相对于其它的散热方式而言，风冷散热具有简单实用、价格低廉、无污染等特点，在今后的芯片散热中会继续得到广泛应用。

1.3.2散热片加工工艺

散热片材料的选择和加工工艺对散热片的散热性能的影响有很大的关系。

材料的选择上从最开始的铝到铜，发展到现在的铜铝结合，加工工艺也有挤压工艺、折叶工艺、塞铜工艺、回流焊接工艺等。

1）挤压工艺

CPU散热器的挤压工艺历史已经非常悠久（第一款CPU散热器也是采用挤压工艺），发展至今已经有10年之久。

现在一半以上的散热器（包括所有行业的散热器）都是采用挤压工艺制造的，所以挤压工艺相当成熟。

而且铝材在加工要求上相对简单，铝材密度相对较低，其单位重量较轻，非常适合制作一些主流的散热器装置，在各种行业上的应用也十分广泛[7]。

挤压工艺的优点在于成型技术比较成熟，成本相对较低。

不过，其缺点在CPU频率不断增大的同时也逐渐暴露出来，因为铝片密度比较低，所以在一些热量过高的场合就需要加大风量和散热面积，这无疑给噪音控制和在有限的散热空间内增大散热面积的技术实现上提出了新的挑战。

所以在未来主流的散热器上，挤压工艺的CPU散热器将成为历史。

2）折叶工艺

折叶工艺的基本做法是采用金属折叶。

这种工艺可以让有效散热面积随着叶片的增加而增加。

与挤压工艺相比，折叶工艺显得比较复杂，很多厂家对金属折叶和底部紧密接触都做得不是很好。

折叶工艺中还涉及到一个压固的问题，如果压固技术不成熟的话，那么散热器的性能将无法得到保证，所以折叶工艺一般应用于高端散热器的制造上。

3）塞铜工艺

塞铜工艺是一种铜铝结合工艺，主要有两种：

一种是将铜片嵌入铝制底板中，常见于用铝挤压工艺制造的散热器中。

由于铝制散热器底部的厚度有限，嵌入铜片的体积也受到限制。

增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力，由于与铝制散热器的接触面积有限，所以大多数情况下，这种铜铝散热器比铝制散热器的散热效果好不了太多，在接触不良的情况下，甚至会妨碍散热。

4）回流焊接工艺

一般应用于采用铜材料的散热器上，其原理是将一片片薄的铜片制作成鳍片，并且与底座进行很好的连接，这个原理就是焊接技术。

回流焊接就是通过计算机对焊接的温度和时间参数进行精确设定，从而使焊膏和被焊接的金属充分接触。

这项技术的应用确保了纯铜散热器的优秀散热性能。

现在的CPU散热片制造工艺一直都是消费者在购买CPU散热器时必须考虑的。

因为越好的制造工艺将使得CPU散热器的性能越高，这是无可挑剔的。

随着CPU频率的提升，有不少的制造工艺已经渐渐不被采用。

目前国内的散热片多采用挤压技术、折叶技术和回流焊接技术[8]。

CPU功率的不断增大导致大量热量的产生，其热流密度呈显著增加的趋势。

因此，为了提高散热量，散热片和风扇体积越来越大，其风扇转速也越来越高[9]。

例如：

Intel公司为了解决其高端奔腾4处理器（3.06GHz）的散热问题，专配重达0.6公斤散热器，这说明即使是引领国际科技发展趋势的Intel公司，在处理CPU芯片的散热问题上，除了不断增大其散热器的外形尺寸和重量之外，目前也没有更好的解决方案[10,11]。

1.4本文研究内容与章节安排

本文所进行的工作首先是用UIDL语言开发风冷式散热片专用热分析模块，对散热片进行三维有限元热分析，找出散热片结构参数与散热性能之间的关系，形成一套较完整的散热片热分析系统。

其次是在保持散热片工况不变的情况下，在散热片热分析的基础上，开发基于APDL语言的散热片结构优化软件，对散热片结构参数进行优化设计，达到改善散热片散热性能的目的。

本文的主要研究内容包括：

第一章介绍了课题的背景和国内外CPU散热片的研究现状，综述散热片的工作特点、加工工艺等。

第二章介绍了UIDL二次开发语言，提出了在ANSYS环境中开发专用的风冷式散热片热分析模块的理论和方法，并实现了这些模块与ANSYS的集成。

第三章利用开发的散热片热分析系统，分别对四种散热片（直板式、柱状式、直肋太阳花式、弯肋太阳花式进行热分析，找出每种散热片散热性能随其结构参数变化的规律。

第四章以传统风冷式散热片为对象，通过APDL语言，建立了散热片的热优化模型，并应用ANSYS的优化设计模块，在给定特征参数（如散热片底座长、宽）的基础上，以散热片中温度最高节点的温度值为目标函数，以散热片翅片厚度、柱体直径、底座高度、整体高度等作为优化变量，对散热片结构进行优化设计，达到了提升散热片散热性能的目的。