散熱設計知識

1、北洋集團清華大學威海北洋電氣集團股份有限公司清華大學電子工程系集成光電子學國家重點實驗室北洋集團清華大學熱量從物體中溫度較高的部分傳到溫度較熱量從物體中溫度較高的部分傳到溫度較低的部分或者從溫度較高的物體傳到與其低的部分或者從溫度較高的物體傳到與其接觸的溫度較低的物體。接觸的溫度較低的物體。物體各部分間無宏觀相對位移物體各部分間無宏觀相對位移;熱量在傳遞過程中無能量形式的變化。熱量在傳遞過程中無能量形式的變化。北洋集團清華大學21ttA計算公式：計算公式：F Ft1t2 A A 為導熱系數(shù)，為導熱系數(shù)，(熱導率熱導率)，W/(m . oC)北洋集團清華大學 流體各部分間發(fā)生宏觀相對位移；流體各

2、部分間發(fā)生宏觀相對位移； 熱量在傳遞過程中無能量形式的變化；熱量在傳遞過程中無能量形式的變化； 只能發(fā)生在流體中；只能發(fā)生在流體中； 必然拌有導熱現(xiàn)象。必然拌有導熱現(xiàn)象。在流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對在流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞。位移時所引起的熱量傳遞。北洋集團清華大學對流換熱對流換熱：流體流過固體壁面時的熱量交換。流體流過固體壁面時的熱量交換。對流換熱的計算公式：對流換熱的計算公式：fwtthAwftthAthA twtfA 為對流換熱系數(shù)為對流換熱系數(shù)，W/(m2 . oC)北洋集團清華大學輻輻射射物體通過電磁波來傳遞能量的過程物體通過電磁波來傳遞能量的

3、過程Radiation is a process that the energy may be transferred by electromagnetic wave.由于熱的原因而產(chǎn)生的輻射，物體將內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶庞捎跓岬脑蚨a(chǎn)生的輻射，物體將內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪?，或者物體吸收電磁波而變?yōu)閮?nèi)能。波，或者物體吸收電磁波而變?yōu)閮?nèi)能。能量可在真空中傳播能量可在真空中傳播; ;熱量在傳遞過程中發(fā)生形式上的變化。熱量在傳遞過程中發(fā)生形式上的變化。4AT 為常數(shù)為常數(shù)，5.6697 10-8W/(m2 . oC4)北洋集團清華大學t1,h1高溫流體高溫流體對流換熱對流換熱t(yī)2,h2低溫流體低溫流體對流換熱對

4、流換熱導導熱熱 北洋集團清華大學北洋集團清華大學nnttgradtq 單位時間、單位面積上的傳單位時間、單位面積上的傳熱量熱量( (熱流密度熱流密度) )與溫度梯度與溫度梯度成正比。成正比。傅立葉定律傅立葉定律 Fouriers Law (1822年年)傅立葉定律傅立葉定律導熱的基本定律導熱的基本定律 The heat transferred per unit area and per unit time (heat flux) is proportional to the temperature gradient.J. B. BiotJ.B.J.FourierJ.B.J.Fourier 導熱

5、系數(shù)導熱系數(shù), ,W/(m)北洋集團清華大學假設假設： 1 1、連續(xù)介質(zhì)；、連續(xù)介質(zhì)；2 2、各向同性；、各向同性；所依據(jù)的定律：所依據(jù)的定律： 傅立葉定律、能量守恒定律傅立葉定律、能量守恒定律單 位 時 間 導入 微 元 體 的凈 熱 量單 位 時 間微 元 體 內(nèi)內(nèi) 熱 源 生成 的 熱 量單 位 時 間 內(nèi)微 元 體 內(nèi) 能的 增 加3 3、均勻內(nèi)熱源，強度、均勻內(nèi)熱源，強度 為為 (W/m(W/m3 3););4 4、密度、比熱為常數(shù)。、密度、比熱為常數(shù)。導熱微分方程及定解條件導熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Defini

6、tion Conditions）北洋集團清華大學ztzytyxtxtc導熱系數(shù)為常數(shù)時：導熱系數(shù)為常數(shù)時：cztytxtat222222導熱微分方程及定解條件導熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions） 一、直角坐標系中的導熱微分方程一、直角坐標系中的導熱微分方程北洋集團清華大學如果無內(nèi)熱源：傅立葉方程如果無內(nèi)熱源：傅立葉方程222222ztytxtat如果穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源：拉普拉斯方程如果穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源：拉普拉斯方程0222222ztytxt導熱微分方程及定解條件導熱微分方程及定解條件（Conduct

7、ion Differential Equation and Definition Conditions）如果穩(wěn)態(tài)導熱：泊松方程如果穩(wěn)態(tài)導熱：泊松方程0222222cztytxta北洋集團清華大學第一類邊界條件第一類邊界條件：給定物體邊界上任何時刻的溫度分布。：給定物體邊界上任何時刻的溫度分布。,boundaryzyxft導熱微分方程及定解條件導熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）邊界條件邊界條件tboundary-1tboundary-3tboundary-4tboundary-2第二類邊界

8、條件第二類邊界條件：給定物體邊界上任何時刻的熱流密度。：給定物體邊界上任何時刻的熱流密度。 , z , y , xfqfwwtthnt第三類邊界條件：第三類邊界條件：給定物體邊界與周圍流給定物體邊界與周圍流體間的對流換體間的對流換 熱系數(shù)熱系數(shù) h 及流體的溫度及流體的溫度tf。北洋集團清華大學熱導率為常數(shù)k,且兩表面溫度均勻恒定的均質(zhì)平板中的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題是最簡單的傳熱問題取梯度方向為x,將傅立葉方程分離變量并積分可得2121TTxxdTkAdxq整理可得：熱阻熱勢差kAxTTq/12x/kA稱作熱阻，可以看作類似電阻的物理量，并聯(lián)、串聯(lián)定理仍然成立一維導熱問題一維導熱問題熱阻熱阻北洋集團

9、清華大學接觸熱阻接觸熱阻 (Contact Resistance) 定義：定義：在兩個物體交界面上有熱量傳遞時，界面上將在兩個物體交界面上有熱量傳遞時，界面上將產(chǎn)生一定的溫度降落，引起這種溫度降落的熱阻稱為產(chǎn)生一定的溫度降落，引起這種溫度降落的熱阻稱為接觸熱阻。接觸熱阻。 北洋集團清華大學1 1、提高對流換熱系數(shù)；、提高對流換熱系數(shù)；2 2、降低、降低tf；常常是不實際的；常常是不實際的；3 3、增大換熱面積，常用辦法。、增大換熱面積，常用辦法。twtfh在表面溫度在表面溫度tw一定時，提高傳熱一定時，提高傳熱量的辦法：量的辦法：延展表面延展表面：是在固體上凸出的、在其內(nèi)部由熱傳導：是在固體上

10、凸出的、在其內(nèi)部由熱傳導傳遞熱量而在界面上與周圍環(huán)境之間由對流傳遞熱量而在界面上與周圍環(huán)境之間由對流( (和和/ /或或輻射輻射) )傳遞熱量的表面。傳遞熱量的表面。延展表面的導熱延展表面的導熱 北洋集團清華大學ttwhxQfFhHtwtfh延展表面的導熱延展表面的導熱 代入傅立葉方程可以得出解析表達式，算出延展表面的導熱量，實際設計時一般進行計算機數(shù)值模擬計算北洋集團清華大學考慮右圖的微體積元，根據(jù)體積元內(nèi)質(zhì)量的變化等于流入與流出質(zhì)量之差可得流體的連續(xù)性方程：0)()()(twtvxut其中，u,v,w分別是x,y,z方向的流速，是流體密度，如果流體定常，則有對流相關(guān)對流相關(guān)流體方程流體方程

11、0twtvxu北洋集團清華大學二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài)二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài) 2222222211yvxvypyvvxvuyuxuxpyuvxuu動量方程動量方程對流相關(guān)對流相關(guān)流體方程流體方程2222ytxtaytvxtu能量方程能量方程其中，a=k/c，k為導熱系數(shù)， 是密度，c為恒壓熱容北洋集團清華大學速度邊界層速度邊界層uyuu速度邊界層定義：壁面到速度邊界層定義：壁面到99%U 的區(qū)域，的區(qū)域，對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層邊界層將流場分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個區(qū)域?qū)⒘鲌龇譃檫吔鐚觾?nèi)和邊界層外兩個區(qū)域 在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會產(chǎn)生較大的粘性切應力在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會產(chǎn)生

12、較大的粘性切應力yu由于管壁和流體之間存在黏性，管壁附近的流體速度存在梯度北洋集團清華大學對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層邊界層層流(laminar)：流體質(zhì)點運動平穩(wěn)，彼此平行隨著流速變快，層流變成湍流湍流(turbulent)：流體質(zhì)點隨機運動，不平穩(wěn)北洋集團清華大學對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層邊界層流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示，無量綱參數(shù)：流體運動黏度流動時一般取其直徑：特征長度，在圓管中：流體流速vlvlFFmgRe一般：Re2000:層流 2000Re4000:湍流北洋集團清華大學對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層邊界層貝克萊數(shù)：用P或Pe表示，是一個無量綱數(shù)值，

13、用來表示對流與擴散的相對比例。隨著Pe數(shù)的增大，輸運量中擴散輸運的比例減少，對流輸運的比例增大。：特征擴散系數(shù)：特征長度：特征速度llPe 北洋集團清華大學邊界層要點：邊界層要點：當粘性流體流過固體表面時，可以將流動劃為邊界層區(qū)和當粘性流體流過固體表面時，可以將流動劃為邊界層區(qū)和 主流區(qū)。主流區(qū)。邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個非常小量。邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個非常小量。在邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊在邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊 靠壁面處仍有極薄的一層保持層流流動，稱為層流底層?？勘诿嫣幦杂袠O薄的一層保持層流流動，稱為層流底層。溫度也存在邊界層

14、。溫度也存在邊界層。對流傳熱的計算非常復雜，一般都采用數(shù)值模擬計算，對流傳熱的計算非常復雜，一般都采用數(shù)值模擬計算，確定雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)可以確定采用何種模型進行計算確定雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)可以確定采用何種模型進行計算對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層邊界層北洋集團清華大學電子系統(tǒng)散熱方法電子系統(tǒng)散熱方法q 芯片級芯片級通過設計芯片結(jié)構(gòu)使芯片熱量迅速傳遞到芯片表面通過設計芯片結(jié)構(gòu)使芯片熱量迅速傳遞到芯片表面q 封裝級封裝級設計合適的封裝結(jié)構(gòu)和固晶方式，將熱量迅速從設計合適的封裝結(jié)構(gòu)和固晶方式，將熱量迅速從LED芯片導出到散熱裝置上面芯片導出到散熱裝置上面 q 系統(tǒng)級系統(tǒng)級為產(chǎn)品設計合適的散熱方式，將產(chǎn)生的熱量散

15、到環(huán)境中為產(chǎn)品設計合適的散熱方式，將產(chǎn)生的熱量散到環(huán)境中 北洋集團清華大學q芯片級散熱（以LED為例）電子系統(tǒng)散熱方法電子系統(tǒng)散熱方法普通LED器件倒裝焊LED器件北洋集團清華大學電子系統(tǒng)散熱方法電子系統(tǒng)散熱方法q封裝級散熱（以LED為例） 第一、封裝成本必須價格低廉；第二、良好的電和熱傳導；第三、熱應力和可靠性，少熱應力需要改進散熱管理，使光源內(nèi)的溫度梯度達到最??；第四、與紫外和可見光兼容，在紫外和可見光照射下不老化，光吸收比較少。 目前，常用技術(shù)：改進焊料，采用高導熱率的焊料AuSn共晶焊采用高導熱率的熱沉AlN陶瓷封裝結(jié)構(gòu)設計北洋集團清華大學電子系統(tǒng)散熱方法電子系統(tǒng)散熱方法共晶是指在相對

16、較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。其熔化溫度稱共晶溫度。AuSn共晶焊料有廣泛的應用 2.5 W/mK 20 W/mK 57W/mK (silver colloid) (silver colloid) (Au-Sn solder) AlN陶瓷是優(yōu)良的導熱材料，導熱率可達300 W/mK以上 ，是LED常用的導熱材料；金屬Al導熱率可達200 W/mK左右，價格便宜，也是常用散熱材料北洋集團清華大學電子系統(tǒng)散熱方法電子系統(tǒng)散熱方法q系統(tǒng)級散熱自然散熱，完全依靠自身的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)散熱，成本最低，能力也最差。加裝風扇強制散熱，借助強迫對流散熱，熱量可

17、以更迅速地擴散。但是這種散熱方式增加了成本和電損耗，而且風扇的壽命有限，風扇在運行中有一定噪音。另外，這種散熱方式用在戶外燈具上由于防水的要求使用效果會比較差。熱管散熱，與加裝風扇強制散熱相比，熱管散熱技術(shù)不需要增加額外的控制電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，外觀帶來很大的問題，增大了體積。另外，高效率的熱管成本也比較高。半導體制冷。半導體制冷具有壽命長、無噪音的優(yōu)點。但是成本很高，使用條件要求苛刻。使用方法不恰當反而會增大散熱的負擔。 北洋集團清華大學散熱設計軟件散熱設計軟件Icepak設計不同的散熱系統(tǒng)需要進行建模、計算，手工進行是不現(xiàn)實的，需要使用計算機進行輔助設計一款常用的設計軟件Ice

18、pakIcepak是FLUENT公司的一款面向工程師開發(fā)的專業(yè)電子產(chǎn)品熱分析軟件。包括建模、網(wǎng)格和后處理工具，以及FLUENT求解器。首先在建模工具內(nèi)建立物理模型，然后指定網(wǎng)格約束條件，生成網(wǎng)格，使用FLUENT求解器求解FVM（有限體積模型）方程，得出溫度場、流速場的分布，再通過后處理工具可視化處理。能夠計算電子設備部件級，板級和系統(tǒng)級的問題。北洋集團清華大學Icepak應用舉例應用舉例問題描述問題描述機柜包含5個高功率的設備（密封在一個腔體內(nèi)），一塊背板plate，10 個翅片fins，三個fans, 和一個自由開孔，如圖1.1 所示。Fins 和plate 用xtruded aluminum. 每個fan質(zhì)量流量為0