芯片偏置对散热器倾斜程度影响分析

龚宝龙

（浪潮电子信息产业股份有限公司高效能服务器与存储技术国家重点实验室，山东济南 250101）

芯片偏置对散热器倾斜程度影响分析

龚宝龙

（浪潮电子信息产业股份有限公司高效能服务器与存储技术国家重点实验室，山东济南 250101）

0 引言

芯片是半导体元件产品的统称，所有电子产品都有不同功能用途的芯片［1］。在服务器及PC机内部有大量的运算芯片，功耗高的芯片温度较高，需使用散热器辅助高温芯片散出热量，如CPU散热器、GPU散热器等［2］。通常散热器几何中心会与芯片几何中心重合以保证二者平稳接触，有些情况芯片中心会偏离散热器中心一定距离，这种情况导致散热器倾斜，可能降低散热效率。因此，找出芯片相对于散热器合适偏置位置，对芯片的工作效率提升、散热状况优化、电子产品的平稳高效工作有较大意义。

数值模拟技术具有耗时短、效率高、易实现等优点［3-4］，通过数值模拟方法，分析多种不同的芯片偏置位置及散热器倾斜状况，比较散热器倾斜程度，优化芯片最佳的偏置位置，为芯片摆放提供最优建议。

1 研究问题概述

以服务器主板一款芯片为研究对象。服务器主板PCB（printed circuit board）板卡有多个高速运算的芯片，功耗高的芯片温度较高，常使用散热器与芯片接触的方式为芯片传导散热。大尺寸散热器通常用四角固定的方式与芯片接触，如CPU；小尺寸的散热器常采用对角线两角固定的方式与芯片接触。

由于PCB表面元器件的摆放及线路的连接，芯片有时无法位于散热器多个固定孔所组成的中心位置，当散热器对角线两角固定时，芯片位置偏置导致其与散热器接触受力不均衡，散热器会出现一定程度的倾斜，如图1所示，散热器倾斜现象会影响散热效果。研究模型的芯片偏离散热器中心距离为6.35 mm，沿正上方向。

先对初始芯片散热器模型中散热器的倾斜程度进行仿真分析，倾斜程度用散热器最高点与最低点的高度差表征。由于芯片散热器模型属于对称结构，然后将芯片沿散热器中线向上移动不同位置进行仿真，研究芯片沿正上方偏置不同距离对散热器倾斜程度影响，其次研究芯片斜置对散热器倾斜程度影响，最后提出芯片偏置位置优化建议。

图1 散热器倾斜现象

2 分析模型及原理

2.1 几何模型

对芯片散热器结构进行建模及简化处理［5］，删除不受力特征，如散热翅对倾斜现象没有影响，故可删减。芯片散热器模型由PCB板、芯片、硅脂及散热器组成，如图2所示。

图2 芯片散热器几何模型

2.2 数学方程

采用有限元法对芯片散热器结构进行静态仿真。有限单元法的通用方程［6］为：

｛F｝为节点载荷列阵；［K］为单元刚度矩阵；｛δ｝为节点位移列阵。

有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用单元近似函数分片表示求解域上待求的未知场函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。本模型所用到的材料物理性能如表1所示。散热器采用铝合金6063材料。

表1 材料物理性能

2.3 网格划分

对散热器、硅脂、PCB板进行网格划分，散热器及硅脂单元平均尺寸为0.4 mm，PCB板平均尺寸为1 mm，网格划分方法为Multizone，网格单元为六面体单元。芯片设定为刚体，不进行网格划分及参数设定。网格划分后有125 447单元，577 196节点。网格划分局部如图3所示。

图3 芯片散热器结构网格划分

2.4 边界条件

对PCB板底面施加固定约束，对散热器2个固定孔施加向下载荷，每个载荷大小为8.82 N，合力小于芯片所承受极限载荷19.5 N。芯片散热器结构边界条件设置如图4所示。

图4 芯片散热器结构边界条件

3 结果与分析

3.1 初始模型

初始模型的芯片位置偏离散热器中心的距离为6.35 mm，沿正上方向。散热器变形侧视如图5所示，正视变形分布如图6所示。

图5 散热器变形侧视图

图6 散热器变形分布正视图

倾斜程度用散热器最高点与最低点的高度差表征。由图5、图6可知，散热器倾斜高度差为0.196 mm。由于仿真进行适量的简化处理，故仿真结果小于实际情况，但根据实际观察，仿真变形分布规律与散热器实际倾斜情况相似。

3.2 芯片沿正上方偏置

对芯片位于不用正上方位置的模型进行仿真：置于散热器中心、向上偏置1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，5 mm，6 mm，7 mm。以散热器倾斜高度差衡量散热器的倾斜程度为0.053～0.212 mm。根据数据图分析，芯片向正上方偏移时，散热器的倾斜程度与芯片偏置距离呈线性关系。故芯片偏置距离越小，散热器的倾斜程度越小。

3.3 芯片斜上方偏置

首先比较3种芯片位置：正上偏置3 mm，右3 mm上3 mm，左3 mm上3 mm。此3种芯片偏置位置引起散热器倾斜程度为0.107～0.138 mm。

向上偏置3 mm时，再向左或向右偏置都会增加散热器的倾斜程度，故向正上方偏置最佳，向左（远离固定孔对角线）其次，向右（靠近固定孔对角线）最差。

其次，在实际原始芯片位置（正上偏置6.35 mm）基础上，分别向左和向右偏置2 mm，分析比较散热器倾斜程度。此3种芯片偏置位置引起散热器倾斜程度分别为0.196 mm，0.225 mm，0.204 mm。

向上偏置6.35 mm时（芯片初始位置），再向左或向右偏置都会增加散热器的倾斜程度，故向正上方偏置最佳，向左（远离固定孔对角线）其次，向右（靠近固定孔对角线）最差。芯片斜置时，平衡芯片几何中心至2个固定孔的距离，使芯片至2个固定孔距离差最小，可使散热器倾斜程度最小。

4 结束语

采用有限元分析方法，仿真分析多种芯片偏心位置及散热器倾斜状况，比较散热器倾斜程度，优化芯片最佳的偏置位置，为芯片摆放提供最优建议。通过不同芯片位置对散热器倾斜程度影响的分析，得出以下结论：芯片向正上方偏移时，散热器的倾斜程度与芯片偏置距离呈线性关系。故芯片偏置距离越小，散热器的倾斜程度越小；向上偏置一定距离后，还需再向左或向右偏置的话，都会增加散热器的倾斜程度；芯片斜置时，平衡芯片几何中心至2个固定孔的距离，使芯片至2个固定孔距离差最小，可使散热器倾斜程度最小。本研究对芯片的工作效率提升、散热状况优化、电子产品的平稳高效工作有较大意义。

［1］ 陈希章，刘中良，马重芳，等.电子芯片散热器特性的测试研究［J］.工程热物理学报，2004，25（6）：995- 997.

［2］ 赵明，卞恩杰，杨茉，等.风扇结构和肋高对芯片散热器散热性能的影响［J］.流体机械，2013（12）：60- 64.

［3］ 周岑，郑凯锋，范立础，等.大跨度石拱桥的全桥结构仿真分析研究［J］.土木工程学报，2004，37（3）：89- 92.

［4］ 李捷，董洪全，殷玉枫，等.钣金件模具在冲压过程中的变形分析［J］.现代制造工程，2006（8）：56- 58.

［5］ Cavazzuti M，Baldini A，Bertocchi E，et al.High performance automotive chassis design：a topology optimization based approach［J］.Structural and Multidisciplinary Optimization.2011，44（1）：45- 56.

［6］ Khoei A R，Bakhshiani A.A hypoelasto- plastic finite strain simulation of powder compaction processes with density - dependent endochronic model［J］.International Journal of Solids and Structures.2004，41（22-23）：6081- 6110.

Effect Analysis of Chip Offset on Heat Sink Tilt Degree

GONG Baolong
（Inspur Electronics Information Industry Co.，Ltd.，State Key Laboratory of High- end Server and Storage Technology，Jinan 250101，China）

采用有限元分析方法，仿真分析多种芯片偏心位置及散热器倾斜状况，比较散热器倾斜程度，优化芯片最佳的偏置位置，为芯片摆放提供最优建议。通过不同芯片位置对散热器倾斜程度影响的分析，得出以下结论：芯片向正上方偏移时，散热器的倾斜程度与芯片偏置距离呈线性关系。故芯片偏置距离越小，散热器的倾斜程度越小；向上偏置一定距离后，还需再向左或向右偏置的话，都会增加散热器的倾斜程度；芯片斜置时，平衡芯片几何中心至2个固定孔的距离，使芯片至2个固定孔距离差最小，可使散热器倾斜程度最小。

芯片偏置；散热器倾斜；数值模拟；位置分析

By applying finite element analysis method，the effect of chip offset on heat sink tilt phenomenon is analyzed.The best offset location of chip was identified and some suggestions for chips were provided.According to the results，the following conclusions were drawn：when the chip offset is located directly above，the relationship between tilt of heat sink and chip offset distance is linear.Thus，as the chip offset distance decreases，the tilt degree decreases.If the offset is moved upward a certain distance and if its direction is required to be towards the left or towards the right，tilt of heat sink will increase.When the chip offsets obliquely，minimizing the distance between chip and two fixed holes，the tilt degree of the heat sink tilt can be minimized.

chip offset；heat sink tilt；numerical simulation；location analysis

TH124

A

1001- 2257（2015）08- 0003- 03

龚宝龙 （1988－），男，山西太原人，工学硕士，结构设计工程师，研究方向为结构设计、数值模拟分析。

2015-03-12

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA01A208）。