Comsol半导体器件热-流场计算
01 研究背景 半导体器件散热 在现代高算力时代，半导体器件散热问题至关重要。随着芯片集成度不断提高，服务器CPU、GPU及移动设备处理器的功耗持续攀升，热管理已成为制约半导体性能释放的关键瓶颈。旗舰级处理器热设计功耗已突破400W，部分GPU型号甚至突破千瓦级。温度每上升10℃，CPU 可靠性下降50%。3nm及以下工艺节点中，芯片局部热点温度远超传统散热方案应对能力。此外，散热系统成本已占高端芯片总成本的15%-25%，因此，深入研究半导体散热技术迫在眉睫。02 物理建模 物理场建模 半导体自然对流散热建模需耦合流场与温度场，以浮力驱动为核心。基于纳维-斯托克斯方程（动量守恒）、连续性方程及能量方程，引入格拉晓夫数描述浮力与粘性力比值，普朗特数关联流体热物性。采用有限元法离散控制方程，通过迭代求解流场速度分布与温度场梯度，最终量化自然对流换热系数及整体热阻，为散热结构优化提供物理依据。03 网格划分 有限元计算基础 网格划分方法半导体器件自然对流散热研究中，网格划分需综合考虑精度与效率。通常采用全局控制结合局部尺寸控制的方式，对关键部件进行局部加密。壁面附近需设置边界层网格，第一层网格高度由目标y+值决定（自然对流通常y+<1），层数不少于5层，增长率控制在1.2以内。网格类型可选择多面体混合网格或正交六面体网格，复杂几何结构可采用贴体网格，以精准贴合几何边界。04 结果展示 计算结果 计算结果如下所示。供稿丨热流Es 编辑丨小苏 审核丨赵佳乐来源：Comsol有限元模拟
