شبیه سازی مقاومت تماس حرارتی
مقاومت تماس حرارتی چگونه بر انتقال حرارت تأثیر می گذارد؟ همانطور که اندازه دستگاه های الکترونیکی همچنان کاهش می یابد، مدیریت موثر گرما اهمیت بیشتری پیدا می کند. امروزه بستهبندی الکترونیکی از هدف اصلی خود یعنی ایجاد حفاظت مکانیکی و اتصال به هم به عنوان وسیلهای برای دفع گرما به محیط خارج تبدیل شده است. با استفاده از مدلی از گالری مدل، نقش مقاومت تماس حرارتی در مدیریت گرما را در یک بسته الکترونیکی ساده و مجموعه سینک حرارتی بررسی می کنیم.
مقاومت تماس حرارتی چیست؟
انتقال حرارت زمانی صورت می گیرد که مواد در دماهای مختلف با یکدیگر تماس پیدا کنند. ممکن است در ابتدا به نظر برسد که سطح هر ماده کاملاً در تماس مستقیم است. با این حال، با بررسی دقیق تر، متوجه خواهید شد که بسیاری از مواد دارای زبری سطحی قابل اندازه گیری در مقیاس میکرون یا نانومتر هستند.
هنگامی که مواد در تماس مستقیم هستند، هدایت حرارتی توسط خواص دو ماده تعیین می شود. با این حال، زبری سطح، شکاف هایی را بین مواد در تماس ایجاد می کند که معمولاً با هوا پر می شوند. رسانایی حرارتی گازها، مانند هوا، معمولاً بسیار کمتر از رسانایی مواد جامد معمولی است. بنابراین، شار حرارتی ناشی از رسانایی در مناطق غیر تماسی کوچکتر است، که منجر به افزایش مقاومت حرارتی در سطح مشترک می شود.
با این حال، اگر تنش ساختاری بر روی شکاف را افزایش دهید، اندازه و وسعت شکاف ها را کاهش خواهید داد و بنابراین، مقاومت حرارتی را تحت تأثیر قرار خواهید داد. در بیشتر مواقع، تابش سطح به سطح نیز در شکاف وجود دارد ، با این حال، در بسیاری از کاربردهای رایج می توان از آن صرف نظر کرد، زیرا اختلاف دما بین مواد معمولاً به اندازه کافی کم است.
مقاومت تماس حرارتی در یک مثال الکترونیکی
در گالری مدل، می توانید مدل از پیش حل شده ” مقاومت تماس حرارتی بین بسته الکترونیکی و هیت سینک ” را بیابید، که می تواند برای بررسی اثر مقاومت تماس حرارتی بر انتقال حرارت در یک بسته الکترونیکی استفاده شود.
این مدل بر اساس مطالعه M. Grujicic، CL Zhao و EC Dusel از دانشگاه کلمسون با عنوان ” اثر مقاومت تماس حرارتی بر مدیریت گرما در بسته بندی الکترونیکی ” است. در مقاله خود، نویسندگان از تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) برای بررسی تأثیر مقاومت تماس حرارتی بر مدیریت گرما در یک واحد پردازش مرکزی ساده (CPU) و طراحی سینک حرارتی استفاده میکنند. آنها تأثیر زبری سطح، خواص مکانیکی و حرارتی مواد در تماس، فشار تماس، و تأثیر مواد بر حداکثر دمای تجربه شده توسط CPU را با جزئیات در مقاله خود بررسی می کنند.
در مدل COMSOL Multiphysics، بخشی از Grujicic و همکاران. این مطالعه بازتولید شده است، جایی که ما نگاهی به تأثیر چهار پارامتر اصلی بر مقاومت تماس حرارتی، و در نتیجه، انتقال حرارت می اندازیم:
- فشار تماسی
- میکروسختی
- زبری سطح
- شیب زبری سطح
هندسه مدل از یک بسته الکترونیکی استوانه ای تشکیل شده است که در داخل یک هیت سینک ساخته شده از هشت پره خنک کننده قرار دارد. راندمان دستگاه به هشت پره خنک کننده هیت سینک و همچنین به راندمان انتقال حرارت بین بسته الکترونیکی و هیت سینک بستگی دارد. هندسه دستگاه در زیر نشان داده شده است، که در آن از تقارن شعاعی برای کاهش هندسه به یک شانزدهم اندازه اصلی آن استفاده شده است.
سمت چپ: هیت سینک و هندسه بسته الکترونیکی، هشت پره خنک کننده اطراف بسته استوانه ای را نشان می دهد. میانه و راست: تقارن شعاعی و ساده سازی هندسه.
پکیج الکترونیکی به صورت استوانه ای به شعاع 1 سانتی متر و ارتفاع 5 سانتی متر مدل سازی شده و از سیلیکون ساخته شده است. هیت سینک از آلومینیوم ساخته شده است که پره های آن تا فاصله 2 سانتی متری از محور سیلندر می باشد. بسته الکترونیکی یک منبع حرارتی کل 5 وات تولید می کند. برای دفع این گرما، یک فن خنک کننده هوای دمای اتاق را با سرعت 8.5 متر بر ثانیه در سراسر سینک حرارتی می دمد.
برای تعریف سرمایش ناشی از جریان هوا، از ضریب انتقال حرارت داخلی در COMSOL Multiphysics استفاده می کنیم. چهار پارامتر – فشار تماس، ریزسختی، زبری سطح و شیب سطح – همه را میتوان با استفاده از جاروهای پارامتریک تنظیم شده در رابط حرارتی مدلسازی کرد . در این مدل هم از توری مثلثی آزاد و هم توری جارو شده استفاده شده است.
نکته: می توانید اطلاعات بیشتری درباره مش در مستندات مدل بیابید .
شکل زیر نمایه دمایی بدست آمده با استفاده از مقادیر مرجع را نشان می دهد:
مشخصات دما با مقادیر مرجع برای پارامترها.
نزدیکتر به فن (سمت چپ مدل)، دمای پره ها به حدود 483 کلوین می رسد. با فاصله بیشتر از فن، دما افزایش می یابد و در انتهای دیگر به 490 کلوین می رسد.
تجزیه و تحلیل مقاومت انقباضی و مقاومت شکاف
در مرحله بعد، مدل را بیشتر تجزیه و تحلیل می کنیم تا تأثیر فشار تماس، ریزسختی، زبری سطح و شیب سطح بر روی انقباض و مقاومت شکاف در مدل را تعیین کنیم. مقداری که هر یک از این چهار پارامتر هم بر مقاومت انقباضی و هم مقاومت در برابر شکاف تأثیر میگذارند، مستقیماً بر ویژگیهای مواد در سطح هیت سینک و بستهبندی الکترونیکی تأثیر میگذارد. بنابراین، اتلاف گرما از دستگاه الکترونیکی تغییر می کند.
در زیر نتایج حاصل از این تحلیل آورده شده است:
سمت چپ: مقاومت در برابر انقباض بسته به فشار تماس ( محور x ) و ریزسختی ( محور y ). راست: مقاومت در برابر انقباض بسته به زبری ( محور x ) و شیب زبری ( محور y ).
سمت چپ: مقاومت شکاف بسته به فشار تماس ( محور x ) و ریزسختی ( محور y ). راست: مقاومت شکاف بسته به زبری ( محور x ) و شیب زبری ( محور y ).
فشار تماس، زبری، شیب زبری و ریزسختی همگی بر مقاومت انقباضی در مدل تأثیر میگذارند. با این حال، شیب زبری تأثیر کمی بر مقاومت شکاف دارد. ما می توانیم این را در تصویر پایین سمت راست مشاهده کنیم، جایی که نمودار مقادیر ثابت را در جهت عمودی نشان می دهد.
در مقاله خود، Grujicic و همکاران. نتیجه گیری کنید که زبری سطح و خواص مکانیکی و حرارتی می تواند تأثیر قابل توجهی بر مقاومت در برابر تماس حرارتی و در نتیجه بر مدیریت حرارتی داشته باشد. به گفته گروجیسیچ و همکاران، مقاومت در برابر تماس حرارتی و پارامترهایی که بر آن تأثیر میگذارند، میتوانند نقش عمدهای در مدیریت حرارت دستگاههای الکترونیکی داشته باشند. بنابراین، ممکن است به طور قابل توجهی بر عملکرد، قابلیت اطمینان و چرخه عمر دستگاه تأثیر بگذارد.
منابع اضافی
- مقاله را بخوانید: ” اثر مقاومت حرارتی بر مدیریت گرما در بسته بندی الکترونیکی ” توسط M. Grujicic، CL Zhao، و EC Dusel
- دانلود مدل: مقاومت تماس حرارتی بین یک بسته الکترونیکی و یک هیت سینک
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید