CN110674613A - 一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法,包括步骤1：建立印制板初始状态模型；步骤2：确定印制板与冷板间的固定点，控制印制板热变形；步骤3：印制板与冷板间刚柔复合导热设计。本发明，通过热仿真印制板的热变形，合理确定印制板与冷板之间的导热界面材料，优化印制板与冷板的贴合，减小印制板与冷板之间的接触热阻，满足大尺寸柔性印制板的散热。
Description
技术领域
本发明涉及的是印制板散热应用领域，更具体地说是一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法。
背景技术
近年来随着高性能计算机的发展，大尺寸高密度印制板技术发展迅速，为减少芯片间引线互联长度，减少信号传输的损耗，需要把众多器件集成到一块印制板上，导致印制板尺寸变大同时印制板上所承担的功耗也越来越大，大尺寸柔性印制板的散热成为重要的研究方向。
用冷板为大尺寸柔性印制板散热逐渐成为主流手段，但由于大尺寸印制板本身具有柔性，加之在热作用下会导致印制板的热变形，使得印制板与冷板之间难以良好贴合以致出现缝隙，导致热源器件温度急剧上升。申请号为201810632008 .8的专利提出了单体电池散热冷板结构的优化方法，该优化方法采用仿真手段优化冷板结构、减轻冷板重量，但由于单体电池高度/面积比远大于印制板，无需考虑柔性变形带来的影响，该优化方法不能用于面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法, 通过热仿真印制板的热变形，合理确定印制板与冷板之间的导热界面材料，优化印制板与冷板的贴合，减小印制板与冷板之间的接触热阻，满足大尺寸柔性印制板的散热。
具体方案为：一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法,包括如下步骤：
步骤1：建立印制板初始状态模型，具体为：测量印制板上n个点的坐标值，根据n个点的坐标值利用三维软件绘制三维模型，在三维模型中导入印制板的布线分布模型、热源器件模型，形成印制板的初始状态模型；
步骤2：确定印制板与冷板间的固定点，控制印制板热变形，具体为：将步骤1中印制板的初始状态模型导入热仿真软件，在热仿真软件中加载热源功耗，以步骤1中n个点为监控点，记录仅受热条件下n个点纵向位置偏移量△Z。在△Z中选取m个数值较大的点作为印制板与冷板的固定点，将m个点用螺钉辅助固定，使得印制板上m个固定点位置不随功耗的加载而变化；
步骤3：印制板与冷板间刚柔复合导热设计，具体为：利用仿真软件再次加载热源功耗，记录下受m个固定点约束的条件下的(n-m)个点的纵向位置偏移量△Z’,根据△Z’的不同并结合功耗的大小，确定印制板与冷板间为刚性接触还是柔性接触，选用对应导热界面材料，并计算热源器件与冷板间的温差△T。
该技术方案中，通过热仿真印制板的热变形，确定印制板与冷板之间的导热界面材料，优化了印制板与冷板的贴合，减小印制板与冷板之间的接触热阻，满足大尺寸柔性印制板的散热。
优选的，步骤1中n不小于100。
优选的，步骤1中印制板上n个点分布在热源器件焊点较多的位置。
优选的，步骤1中，印制板上n个点的坐标值通过三坐标仪或激光扫描仪测量得到。
优选的，步骤2中的m个点，任意两个点之间的距离大于板长的1/4。选择合理位置的点，利于提高优化结果。
优先的，步骤3中的导热界面材料包括液态金属、导热脂、弹性导热橡皮。
优选的，步骤3中的热源器件包括CPU、网络芯片、电源转换模块。
优选的，在步骤3之后还设置有步骤4：计算步骤3中热源器件与冷板间的温差△T，根据温差△T及热源器件的许用温度T_max，计算不同位置处冷板表面温度T_cp，根据冷板表面温度T_cp设计优化冷板流道。该步骤4，优化冷板内部流道，进一步满足大尺寸柔性印制板的散热。
优选的，步骤4中，冷板流道的优化方法，具体包括：
步骤4.1，确定冷板流道区域；
步骤4.2，选择不同的类型的流道组合，
步骤4.3， 判定在该流道组合下的冷板表面温度为T_cp’是否符合要求，若T_cp’小于T_cp，符合要求，该流道组合为确定，否者不符合要求，重复步步骤2。
优选的，冷板流道是多种强化换热流道的组合，包括微通道强化流道、局部缩颈强化流道、环形扰流流道、常规流道及入口流道。
优选的，步骤4中的冷板流道的优化方法，还包括步骤4.4：计算冷板流道流阻P，并与用户提出的流阻要求进行比对。
本发明的有益效果是：
1、通过热仿真印制板的热变形，确定印制板与冷板之间的导热界面材料，优化了印制板与冷板的贴合，减小印制板与冷板之间的接触热阻，满足大尺寸柔性印制板的散热，同时部增加冷板工艺的复杂度；
2、优化冷板内部流道，进一步满足大尺寸柔性印制板的散热。
附图说明
图1为实施例1中冷板优化设计方法的流程图；
图2为实施例2中冷板优化设计方法的流程图；
图3为实施例2中流道布置图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明：
实施例1：一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法, 包括如下步骤：
步骤1：测量印制板上n个点的坐标值，n个点主要分布在热源器件周边，个数n不小于100个，各个点的坐标值（xi,yi,zi）可通过三坐标仪或激光扫描仪测量得到，根据n个点的坐标值利用三维软件绘制三维模型，在三维模型中导入印制板的布线分布模型、热源器件模型，形成印制板的初始状态模型；热源器件的数量可自行设定，本实施例中，热源器件取大功耗的CPU、中等功耗的网络芯片、小功耗的电源转换模块等3种，这三种热源器件的功耗、表面积、器件高度均有不同，其中CPU功耗为550W，表面积为50mm*50mm,器件高度为3±0.15；网络芯片功耗为80W，表面积为30mm*30mm，器件高度为2±0.1；电源转换模块功耗为60W，由多个电源芯片排列而成，单个电源芯片面积为5mm*5mm，器件高度为1±0.1；
步骤2：将步骤1中印制板的初始状态模型导入热仿真软件，在热仿真软件中加载热源功耗，其中，CPU热源加载功耗550W，网络芯片热源加载功耗80W，电源转换模块热源加载功耗60W，以步骤1中n个点为监控点，记录仅受热条件下n个点纵向位置偏移量△Z，在△Z中选取m个数值较大的点作为印制板与冷板的固定点，将m个点用螺钉辅助固定，使得印制板上m个固定点位置不随功耗的加载而变化；
步骤3：利用仿真软件再次加载热源功耗，记录下受m个固定点约束的条件下的其余(n-m)个点的纵向位置偏移量△Z’,根据△Z’的不同并结合功耗的大小，确定印制板与冷板间为刚性接触还是柔性接触，选用对应导热界面材料；导热界面材料包括液态金属、导热脂、弹性导热橡皮等。
优选的，步骤2中的m个点，任意两个点之间的距离大于板长的1/4。选择合理位置的点，利于提高优化结果。
实施例2：区别于实施例1，在步骤3之后还设置有步骤4：计算步骤3中热源器件与冷板间的温差△T，△T计算公式为：(L_power/(K_power*S_power) + L_tim/(K_tim*S_tim))*W,式中L代表距离，S代表接触面积，K代表导热系数，下标power代表热源，下标tim代表导热介质，然后根据温差△T及热源器件的许用温度T_max，计算不同位置处冷板表面温度T_cp，计算公式为T_max – △T，根据冷板表面温度T_cp设计优化冷板流道，冷板流道优先采用多种强化换热流道的组合，有利更加合理地换热、冷板散热，其可以为微通道强化流道3、局部缩颈强化流道2、环形扰流流道4、常规流道5及入口流道1这些流道中2个或3个或4个或5个的组合，该步骤4，优化冷板内部流道，进一步满足大尺寸柔性印制板的散热。
优选的，步骤4中，冷板流道的优化方法，具体包括：
步骤4.1，确定冷板流道区域；
步骤4.2，选择不同的类型的流道组合，
步骤4.3， 判定在该流道组合下的冷板表面温度为T_cp’是否符合要求，若T_cp’小于T_cp，符合要求，该流道组合为确定，否者不符合要求，重复步步骤2。以流道组合取微通道强化流道、局部缩颈强化流道、环形扰流流道、常规流道及入口流道为例（如图3所示），微通道强化流道换热系数为h1、阻抗S1，所述局部缩颈强化流道换热系数为h2、阻抗S2，所述环形扰流流道换热系数为h3、阻抗S3，所述常规流道换热系数为h4、阻抗S4，所述入口流道不考虑换热系数，阻抗为S5，计算出该流道组合下，冷板表面温度为T_cp’ = A*hx*T_water，式中A代表面积、hx代表上述换热系数中的其中一种、T_water代表水温，校对T_cp’是否小于步骤6所述的T_cp。
实施例3：区别于实施例2，步骤4中的冷板流道的优化方法，还包括步骤4.4：计算冷板流道流阻P，并与用户提出的流阻要求进行比对。冷板流道流阻P的计算公式为：
，式中P代表流阻，n1~5代表上述5种流道的数量，Q代表流量。该步骤，进一步优化冷板内部流道，用于满足一些用户提出的流道流阻P要求。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (10)
1.一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：测量印制板上n个点的坐标值，根据n个点的坐标值利用三维软件绘制三维模型，在三维模型中导入印制板的布线分布模型、热源器件模型，形成印制板的初始状态模型；
步骤2：将步骤1中印制板的初始状态模型导入热仿真软件，在热仿真软件中加载热源功耗，以步骤1中n个点为监控点，记录仅受热条件下n个点纵向位置偏移量△Z，在△Z中选取m个数值较大的点作为印制板与冷板的固定点，将m个点用螺钉辅助固定，使得印制板上m个固定点位置不随功耗的加载而变化；
步骤3：利用仿真软件再次加载热源功耗，记录下受m个固定点约束的条件下的其余(n-m)个点的纵向位置偏移量△Z’,根据△Z’的不同并结合功耗的大小，确定印制板与冷板间为刚性接触还是柔性接触，选用对应导热界面材料。
2.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤1中n不小于100。
3.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤1中印制板上n个点分布在热源器件焊点较多的位置。
4.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤1中，印制板上n个点的坐标值通过三坐标仪或激光扫描仪测量得到。
5.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤2中的m个点，任意两个点之间的距离大于板长的1/4。
6.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤3中的导热界面材料包括液态金属、导热脂、弹性导热橡皮。
7.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤3中的热源器件包括CPU、网络芯片、电源转换模块。
8.根据权利要求1所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，在步骤3之后还设置有步骤4：计算步骤3中热源器件与冷板间的温差△T，根据温差△T及热源器件的许用温度T_max，计算不同位置处冷板表面温度T_cp，根据冷板表面温度T_cp设计优化冷板流道。
9.根据权利要求8所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤4中，冷板流道的优化方法，具体包括：
步骤4.1，确定冷板流道区域；
步骤4.2，选择不同的类型的流道组合；
步骤4.3， 判定在该流道组合下的冷板表面温度为T_cp’是否符合要求，若T_cp’小于T_cp，符合要求，该流道组合为确定，否者不符合要求，重复步骤2。
10.根据权利要求8所述的一种面向大尺寸柔性印制板散热的冷板优化设计方法，其特征在于，步骤4中，冷板流道是多种强化换热流道的组合，包括微通道强化流道、局部缩颈强化流道、环形扰流流道、常规流道及入口流道。
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