一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法技术

本发明专利技术提出了一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，包括以下步骤：1根据芯片的几何尺寸、PCB板上布局以及热源Q的分布情况，选定热沉的设计域；2建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型；3根据三维拓扑优化的数学模型，选择优化求解器进行求解，获得最优化的芯片热沉的三维拓扑结构；4根据优化所得的芯片热沉的三维拓扑结构，对其进行滤波和投影处理，确立拓扑边界，建立优化的芯片热沉的三维几何模型；5根据三维拓扑优化热沉结果的几何网格模型,进行网格修补；6使用有限元软件求解芯片工作到稳态的最高温度与温度梯度云图；7根据芯片的最高温度，判断热沉是否满足散热要求，若满足采用此方案；否则修改热沉设计域的上下尺寸，设计域中导热材料的填充比，重复步骤3

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，属于电子设备热设计


技术介绍

[0002]近年来电子设备的小型化和功能逐步递增，随之而来的就是整体功耗的上涨，功耗的增加必然会导致设备散热需求的增加，这对热管理装置的结构设计提出更苛刻的挑战。散热装置几何形状的优化设计和性能更好提高的散热装置一直是学术界和工业界追求的目标。
[0003]拓扑优化是在给定设计域内，根据负载情况、约束条件和性能指标，对材料分布进行优化的一种数学方法。拓扑优化设计能够更加高效的利用热沉的设计空间，在给定边界条件的情况下，甚至可以设计出接近最优散热性能的热沉。拓扑优化是一种系统性和通用性的方法，具有最高的设计自由度。在实际操作中，其难点主要在于计算工作量太大。尤其是对三维空间进行拓扑优化，或考虑对流传热的情况下，计算耗时可能十分冗长。因此通常需要给拓扑优化的过程加以限定，如：只考虑热传导的情况，以降低优化的难度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，该方法缩减了拓扑优化设计的计算量，同时设计域的设计优化提升了热沉的整体散热效果。
[0005]本专利技术提供一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：根据芯片的几何尺寸、PCB板上布局以及热源Q的分布情况，选定热沉的设计域；
[0007]步骤2：根据步骤1设计域中导热材料的最高填充比，芯片的发热功率等参数，建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型；
[0008]步骤3：根据步骤2中三维拓扑优化的数学模型，选择优化求解器进行求解，获得最优化的芯片热沉的三维拓扑结构；
[0009]步骤4：根据步骤3中优化所得的芯片热沉的三维拓扑结构，对其进行滤波和投影处理，确立拓扑边界，建立优化的芯片热沉的三维几何模型；
[0010]步骤5：根据步骤4中三维拓扑优化热沉结果的几何网格模型,进行网格修补，使其可进行有限元软件仿真分析；
[0011]步骤6：使用有限元软件求解芯片工作到稳态的最高温度与温度梯度云图，即对热沉进行传热分析；
[0012]步骤7：根据芯片的最高温度，判断热沉是否满足散热要求，若满足采用此方案；否则修改热沉设计域的上下尺寸，设计域中导热材料的填充比，重复步骤3
‑
步骤7，直至满足
要求。
[0013]本专利技术进一步的技术方案：
[0014]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，步骤1中的芯片热源Q为发热功率，分布情况包括芯片的尺寸、位置、材料等信息；最优的设计域的确定需要参考上次优化结果是否达到优化目标，设计域的形状需要满足底面(与热源接触)的半径是芯片半径的140％以上且侧面与底面的角度小于90
°
，以平衡散热主干传热通道与分叉的散热平衡。
[0015]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，步骤2中的边界条件中包括所述设计域中导热材料的最高填充比Y，三维拓扑优化模型的建立包括如下步骤：
[0016]步骤2
‑
1：由于拓扑优化开始前并不能确定热沉的形状，所以在初始的设计域无法手动区分热沉和空气的边界，可以将导热材料近似认为是粘度很大的流体；
[0017]此问题的热传导方程即可表示为流体传热方程：
[0018][0019][0020]为空气的对流传热项，为了简化问题、节约计算成本，本设计只考虑空气的热传导，不考虑空气的对流，因此空气速度u＝0，为热传导项，方程右边Q为热源项，Q
P
为压力功，Q
vd
为粘性耗散，由于无空气流动，Q
P
和Q
vd
忽略不计；
[0021]步骤2
‑
2：采用SIMP插值，设计域中的物理值可定义为：
[0022][0023][0024][0025]x为设计变量的位置，ρ
s
为导热材料的密度，ρ0为空气密度，ρ为单元分片材料密度，p为惩罚因子，对单元分片材料密度的中间值进行惩罚，此处取3，k
s
为导热材料的导热系数，k0为空气导热系数，C
P_s
为导热材料的比热，C
P_0
为空气比热；
[0026]步骤2
‑
3：基于拓扑优化方法，建立拓扑优化数学模型，所需要解决的问题是一个标准的非线性优化问题：
[0027][0028]subject to 0≤∫
Ω
ρ(x)dV≤γM；
[0029]x∈X＝{x1，x2，x3，
…
x
N
}；
[0030]0≤γ≤1；
[0031]在这个优化问题中的目标函数为在一个恒定的热源(芯片)生热过程中设计域的总温度变化最小，M为当设计域充满导热材料时的总质量。
[0032]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，其特征在于：步骤3中有限元求解数值包括：
[0033]步骤3
‑
1：根据步骤2建立的拓扑优化数学模型，进行有限元网格划分；
[0034]步骤3
‑
2：选取MMA算法作为优化算法，设置最大迭代步数1000步，优化容差为0.001。
[0035]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，步骤4中的过滤，投影，获得具有可制造性的模型包括以下步骤：
[0036]步骤4
‑
1：通过亥姆霍兹滤波公式对结果进行滤波处理：
[0037][0038]θ
c
为过滤前的设计变量，θ
f
为过滤后的设计变量，R
min
为过滤半径，过滤半径需要不小于网格大小；
[0039]步骤4
‑
2：过滤后的设计变量可能存在大量带有中间值的区域，需要使用双曲正切投影来减少这些无物理意义的区域：
[0040][0041]步骤4
‑
3：根据步骤4
‑
2输出的结果，从有限元软件中创建热沉的网格模型，由于拓扑优化出的热沉网格容易出现非常微小的结构，导致网格反转过大，网格尺寸相差太大，网格折叠等问题，需要对网格进行修补。
[0042]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，步骤5中，修补的方法包括：直接删除微小的网格结构，删除尺寸折叠的部分，删除网络反转的部分，并且修补一张平整的网格。
[0043]前述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，步骤6中对热沉进行传热分析，包括如下步骤：
[0044]步骤6
‑
1：将修补好的网格重新导入该有限元软件，设置空气域，热源位置，发热功率，热沉与热源的材料；
[0045]步骤6
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：根据芯片的几何尺寸、PCB板上布局以及热源Q的分布情况，选定热沉的设计域；步骤2：根据步骤1设计域中导热材料的最高填充比，芯片的发热功率等参数，建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型；步骤3：根据步骤2中三维拓扑优化的数学模型，选择优化求解器进行求解，获得最优化的芯片热沉的三维拓扑结构；步骤4：根据步骤3中优化所得的芯片热沉的三维拓扑结构，对其进行滤波和投影处理，确立拓扑边界，建立优化的芯片热沉的三维几何模型；步骤5：根据步骤4中三维拓扑优化热沉结果的几何网格模型,进行网格修补，使其可进行有限元软件仿真分析；步骤6：使用有限元软件求解芯片工作到稳态的最高温度与温度梯度云图，即对热沉进行传热分析；步骤7：根据芯片的最高温度，判断热沉是否满足散热要求，若满足采用此方案；否则修改热沉设计域的上下尺寸，设计域中导热材料的填充比，重复步骤3
‑
步骤7，直至满足要求。2.根据权利要求1所述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，其特征在于：步骤1中的芯片热源Q为发热功率，分布情况包括芯片的尺寸、位置、材料等信息；最优的设计域的确定需要参考上次优化结果是否达到优化目标，设计域的形状需要满足底面(与热源接触)的半径是芯片半径的140％以上且侧面与底面的角度小于90
°
，以平衡散热主干传热通道与分叉的散热平衡。3.根据权利要求1所述的基于三维拓扑优化的芯片被动散热的热沉设计方法，其特征在于：步骤2中的边界条件中包括所述设计域中导热材料的最高填充比γ，三维拓扑优化模型的建立包括如下步骤：步骤2
‑
1：由于拓扑优化开始前并不能确定热沉的形状，所以在初始的设计域无法手动区分热沉和空气的边界，可以将导热材料近似认为是粘度很大的流体；此问题的热传导方程即可表示为流体传热方程：为流体传热方程：为流体传热方程：为空气的对流传热项，为了简化问题、节约计算成本，本设计只考虑空气的热传导，不考虑空气的对流，因此空气速度u＝0，为热传导项，方程右边Q为热源项，Q
P
为压力功，Q
vd
为粘性耗散，由于无空气流动，Q
P
和Q
vd
忽略不计；步骤2
‑
2：采用SIMP插值，设计域中的物理值可定义为：2：采用SIMP插值，设计域中的物理值可定义为：
x为设计变量的位置，ρ
s
为导热材料的密度，ρ0为空气密度，ρ为单元分片材料密度，p为惩罚因子，对单元分片材料密度的中间值进行惩罚，此处取3，k
s
为导热材料的导热系数，k0为空气导热系数，C
P_s
为导热材料的比热，C
P_0
为空气比热；步骤2
‑
3：基于拓扑优化方法，建立拓扑优化数学模型，所需要解决的问题是一个标准的非线性...

【专利技术属性】
技术研发人员：余柯涵，刘鹤伟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：