杨帆

（深圳市三烨科技有限公司，广东 深圳518000）

1 研究内容

1.1 二代芯片模组热设计方案说明。

1.2 芯片模组热分析结果。

1.3 相同条件，Cu Fin 改为AL Fin 的计算结果。

1.4 使用Cu Fin,风速由3M/S 减为1.5M/S的结果。

1.5 产品公差，平面度等结构说明。

2 二代芯片模组热设计方案

2.1 模 组 可 用 的 空 间 尺 寸 ，L374xW109xH33。

2.2 产品方案采用VC 为底板，VC 尺寸为L374xW109*H3.5。

2.3 鳍片采用铜Cu1020 材质鳍片，尺寸L372.6xW109*H29.5； 鳍 片 Pitch=1.8；T=0.3mm；鳍片数量：207PCS；冲压工艺，自动扣合成一体式模组鳍片。

2.4 VC 和扣合鳍片采用低温钎焊技术，把两者焊接为一体。

3 模组热分析

图1 热源分布及产品投影尺寸

3.1 热分析边界条件。

3.1.1 模组可用的空间尺寸：L374xW109xH33。

3.1.2 热源（相当于芯片发热）功率：180W/颗x4 颗。

热源尺寸：40.6mmx40.6mm（设定为面热源）。

热源分布：如图一所示，以散热模组居中排列。

3.1.3 设定空气流速：3M/S。

3.1.4 设定环境温度：45℃。

3.1.5 设定热源与VC 底壳间相变导热硅脂导热系数：6.5W/M.K。

3.1.6 模拟芯片热特性（模拟结果判定标准）:

MaxTj=88℃。

Rj-Shell=0.1W/M.K。

3.2 模组的VC 表面温度场

如图2。

3.3 结果显示VC 下壳体同各芯片的接触的区域中心温度在66.8℃，各芯片之间基本相同，热分析结果良好。

图2 模组的表面温度场

4 相同边界条件，Cu Fin 改为AL Fin 的计算结果

4.1 维持3.1 的热分析边界条件不变。

4.2 把扣合鳍片材质从铜1020 改为铝1100。

4.3 模拟计算，导入模型和边界条件后的计算结果：

4.4 根据热分析结果，计算芯片节温：

4.4.1 根据4.3 模拟结果显示：

4.4.1.1面热源(相当于芯片的封装外壳上表面）的最高平均

温度为Tshell=69℃。

4.4.1.2 实体芯片的结到壳的热阻为：R（j-shell）为0.1W/M.K，则

Δt( j-shell)=180x0.1=18℃。

4.4.2 根据以上结果，则在45℃环境条件下，空气流速3M/S，芯片的结温Tj：

T（j模拟）=Tshell+ Δt( j-shell)=87℃

4.4.3 根据热分析及计算结果，可得结论如下：

Tj（模拟）=87℃

MaxTj（芯片结温允许最大值）=88℃

Tj（模拟）

扣合鳍片改为铝鳍片后，产品结构散热性能符合芯片的散热需求。

注：由于模拟计算没有考虑芯片贴装在线路板表面时部分热流可以通过线路板表面消散一部分，所以实际使用中的芯片节温应该比模拟的节温稍低。

5 使用Cu Fin,风速由3M/S 减为1.5M/S 的结果

5.1 维持3.1 的热分析边界条件不变。

5.2 把设定风速从3M/S 减为1.5M/S。

5.3 模拟计算，导入模型和边界条件后的计算结果

5.4 根据热分析结果，计算芯片节温

5.4.1 根据4.3 模拟结果显示

5.4.1.1 面热源(相当于芯片的封装外壳上表面）的最高平均温度为Tshell=81.8℃。

5.4.1.2 实体芯片的结到壳的热阻为：R（j-shell）为0.1W/M.K，则

Δt( j-shell)=180x0.1=18℃。

5.4.2 根据以上结果，则在45℃环境条件下，空气流速3M/S，芯片的结温Tj：

Tj（模拟）=Tshell+ Δt( j-shell)=99.8℃

5.4.3 根据热分析及计算结果，可得结论如下：Tj（模拟）=99.8℃

MaxTj（芯片结温允许最大值）=88℃

Tj（模拟）>MaxTj（芯片结温允许最大值）

风速从3M/S 减为1.5M/S，产品结构散热性能已超温较高，不符合芯片的散热需求。

6 热性能计算结果汇总

6.1 二代芯片模组热设计方案说明(3M/S)

Cu 1020 FIN, Tj= 84.9℃, 符合要求（Max Tj= 88℃）

6.2 同1 相同条件，Cu fin 改为AL Fin 的计算结果

AL 1100 FIN, Tj= 87℃, 符合要求（Max Tj= 88℃）

6.3 使用Cu Fin, 风速由3M/S 减为1.5M/S 的结果

Cu 1020 FIN, Tj= 100℃, 不符合要求（Max Tj= 88℃）

7 产品公差、平面度、关键器件VC 等结构特性说明

7.1 VC 单体外围尺寸的宽度+/-0.30 mm，厚度公差可以控制在+/-0.25mm，VC 总长度控制+/-0.5mm；

7.2 VC 单体的整体平面度控制在1.5mm, 4 个热源局部区域（45X45）平面度控制在0.07mm 以内；

7.3 VC 单体定位螺丝孔间距控制在+/-0.15mm 以内；

7.4 整体产品外围尺寸的宽度+/-0.60 ，高度公差可以控制在+/-0.40，总长度控制+/-1.5；

7.5 考虑到产品的螺丝安装后的紧张力度较大，单体VC 会做表面硬化，避免VC 的锁螺丝耳位变形。如果必要，还可以在螺孔区域增加钢板支架一体焊接成型，进一步加强结构强度，确保VC 表面和芯片良好接触，长久运行不变形；

7.6 弹簧选用特殊钢材质和优化的生产工艺，减少压并的不可逆变形量，大幅度减弱因弹簧钢性疲劳，锁压力度减弱，导致散热性能下降，甚至失效的风险。

8 结论

根据上述分析及计算结果，可以接到如下结论：

8.1 如1.1 结构设计的产品

Tj（模拟）=84.9℃

满足二代芯片散热需求；

产品结构设计为二代芯片散热提供了一个新的方案选择。

8.2 在同等结构条件下，把Cu Fin 改为AL Fin

Tj（模拟）=87℃

满足二代芯片散热需求；铝扣合鳍片比铜扣合鳍片在产品成本、产品重量上更有优势；如果铝鳍片也能满足散热需求，建议推荐使用铝鳍片散热器；但是由于铝鳍片的计算温度只比需求温度低1℃，安全系数较低，材质替换时还需要进一步的实际测试验证。

8.3 在同等结构条件下，风速由3M/S 减为1.5M/S

Tj（模拟）=99.8℃>MaxTj（芯片结温允许最大值88℃）

已不能满足二代芯片散热需求；根据此结构，产品在实际应用过程中，要求风量风速匹配达到3M/S 左右，过多降低风速会严重影响到产品性能，需要谨慎。

注释：VC（Vapor Chambers）直译叫蒸汽腔，业内一般叫均温板、均热板、平面热管，是利用液体低压相变原理制造的，可以将热量沿平面快速均匀传达。