熱抵抗ネットワークとCFDシミュレーション:ヒートシンクの定量設計のエンジニアリング方法論
一、一次元熱抵抗ネットワークから三次元温度場へ
ヒートシンクの設計の出発点は、多くの場合、熱抵抗ネットワークマップです。チップジャンクションから周囲空気への熱の経路は、ジャンクションからシェル（Rθjc、チップパッケージの内部抵抗）、シェルからヒートシンク（Rθcs、TIM熱抵抗）、およびヒートシンクから環境（Rθsa、対流+放射）に分解されます。ここで、Rθsaは、ヒートシンク基板の拡散熱抵抗（Rθスプレッド）、フィンの一次元熱伝導熱抵抗（Rθfin）、および対流熱伝達熱抵抗（Rθconv）に分解できます。直列回路モデル:総熱抵抗=Rθjc+Rθcs+Rθスプレッド+Rθfin+Rθconv。
この集中パラメータ法は、初期推定時に迅速かつ効果的ですが、最大の欠点は、温度分布が均一であると仮定することですが、実際にはチップの下の基板に激しい2 D/3 D熱拡散効果があります。最大200 W/cm²の局所熱流束密度を持つ高度なチップでは、拡散熱抵抗が支配的であり、基板内に「ホットスポット」が形成され、局所温度が平均温度よりもはるかに高くなる可能性があります。この時点でCFDシミュレーションに依存する必要があります。
二、流体力学シミュレーションの核心方程式を計算する
CFDで解くのは、3つの結合偏微分方程式です。
連続性の方程式
(質量保存):/t+∇・(u)=0運動量の方程式
（Navier-Stokes）:(ρu)/t+∇·(ρuu)=-∇p+∇·(τ)+ρg（ナビエストークス）エネルギー方程式
(ρh)/t+∇·(ρuh)=∇·(k∇T)+S_hの式
ヒートシンク内の熱伝導の場合、エネルギー方程式は固体熱伝導方程式（対流項がゼロ）に簡略化されます。空気領域の場合、壁に近い境界層内の速度と温度勾配を正確にキャプチャするために、完全な乱流モデル（最も一般的なk-εモデルまたはより高度なSST k-ωモデル）を解く必要があります。
対流熱伝達係数の80%は境界層内の厚さがわずか数十ミクロンの粘性サブ層に依存する
。
三、Ansys Icepak:複雑な曲面と多物理場に向けて
IcepakはFluentソルバーに基づいており、非構造化メッシュ（四面体/六面体コア）を使用して、湾曲した形状（円弧状のフィン、特殊形状のエアダクトなど）に適応します。Icepakのユニークな利点は、電気-熱-構造の3フィールド解析のためにAnsysMechanicalおよびMax wellとシームレスに結合できることです。たとえば、高出力RFパワーアンプのヒートシンクは、電磁損失によって生成される空間分布熱源（Max wellから）、熱変形によって引き起こされる接触熱抵抗の変化（Mechanicalから）、および過渡熱サイクルでの疲労寿命の評価を同時に考慮する必要があります。この結合シミュレーションの精度は、孤立した熱解析をはるかに超えています。
グリッド分割戦略では、Icepakは、境界層の温度勾配を解析するために、固体-流体界面で少なくとも3〜5層のプリズム層グリッドを生成することを推奨しています。一般的なCPUヒートシンクの場合、グリッド数は通常500万〜2000万であり、ソリューション時間は16コアワークステーションで約2〜4時間です。
第四に、FloTHERM:電子放熱に焦点を当てた効率の王
Simcenter FloTHERMはデカルトメッシュ（直交メッシュ）を使用しており、メッシュ生成はユーザーの介入なしにほぼ瞬時に完了します。曲げジオメトリの近似は階段状のエラーを生成しますが、家電製品で一般的な直線フィンヒートシンクの場合、このエラーはエンジニアリング上許容できる範囲内に制御できます（
Flothermの
コマンドセンター
モジュールには、強力なDOE（実験計画）と最適化機能があります。エンジニアは、目的関数（最小熱抵抗または最軽量）を定義し、設計変数（フィンの高さ、間隔、厚さ、ファン速度）を設定し、ソフトウェアが数百のシミュレーションを自動的に反復できるようにして、パレートフロンティアを特定できます。このプロセスは手動ではほとんど不可能です。
五、シミュレーション境界条件設定の重要な落とし穴
シミュレーションの精度は、入力境界条件の信頼性に大きく依存します。
熱源の仮定が間違っている
:チップは、内部のマルチホットスポット分布を無視して、均一な表面熱源に簡略化されます。高度な方法は、チップメーカーから提供された電力分布マップを使用するか、熱電対を使用してキャリブレーションを測定することです。自然対流は重力項を活性化しない
:自然対流冷却では、浮揚力が唯一の駆動力です。重力項をアクティブにせず、空気密度をBoussinesq近似に設定すると、シミュレーションは流れがほとんどなく、温度が異常に高いと誤って予測します。放射線は無視されたり過大評価されたりします
:表面温度が100℃未満の場合、放射線は通常、全熱放散の5〜15%しか占めないため、単純化できます。ただし、表面が高放射率（放射率>0.9）で黒化され、空気流量が非常に低い場合（
六、グリッド無関係性検証と収束基準
CFDシミュレーションは、正式な分析の前にグリッドの無関係性を検証する必要があります。操作方法:粗、中、細の3セットのグリッドを生成し(グリッド数が少なくとも2倍異なる)、重要な位置の温度(チップ接合温度など)を計算します。グリッドと細グリッドの結果は異なります
収束基準は通常、エネルギー残差が1 e-6未満、運動量残差が1 e-4未満に減少し、監視ポイントの温度変化が100回の連続反復で0.01℃未満になるように設定されます。
七、シミュレーションからテストまでの閉ループ校正
シミュレーションは、物理的な現実と同じではありません。最も厳密な開発プロセスは次のとおりです。熱シミュレーション設計オープンダイ作成サンプル熱テスト（サーモグラフィと熱電対を使用）比較テストとシミュレーション偏差シミュレーションパラメータのキャリブレーション（空気側対流相関式、TIM厚さ偏差など）修正設計二次サンプリング。2ラウンドの閉ループ後、シミュレーションとテストの温度差を±3°C以内に制御できます。この校正データベースは、企業のコア知識資産です。
VIII。結論
熱シミュレーションはフィンの設計パラダイムを「経験とテスト」から「予測駆動設計」に変えました。しかし、ソフトウェアは単なるツールであり、真の専門能力は、正しい物理モデルを設定し、シミュレーション結果を正確に解釈し、熱テストを通じてモデルを継続的に校正することです。将来的には、AI支援シミュレーションとクラウドでの高性能コンピューティングの普及により、リアルタイムの熱シミュレーション(Digital Twin)が可能になります。各ヒートシンクにはデジタルツインがあり、リアルタイムで条件温度を反映し、残りの寿命を予測します。
BQUQはプロの金属ヒートシンクメーカーです、私たちに図面を送ってください、私たちは12時間以内にあなたの見積もりを持っています
