電子設(shè)備散熱基礎(chǔ)知識-昂納共51張幻燈片

1、電子設(shè)備散熱基礎(chǔ)知識O-Net Communications CO., LTD.1O-Net Confidential一、散熱基礎(chǔ)知識 熱量傳遞的三種基本方式 熱阻的概念二、散熱器介紹 散熱鰭片設(shè)計 激光器散熱方案分析 三、熱傳界面材料介紹 導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱墊詳細(xì)介紹四、熱管，風(fēng)扇基礎(chǔ)知識五、散熱測試儀器介紹六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢七、散熱設(shè)計實例提 綱O-Net Communications CO., LTD.2O-Net ConfidentialHeat sink熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)熱輻射熱對流熱輻射熱對流PCBCPU一、散熱基礎(chǔ)知識熱量傳遞的三種基本方式：傳導(dǎo)、對流和輻射電子設(shè)備冷卻過程中通常

2、三種散熱方式同時存在，同時發(fā)生 Fourier導(dǎo)熱公式：Q=A(Th-Tc)/x Newton對流換熱公式：Q=A(Tw-Tair) 輻射4次方定律：Q=5.67e-8A(Th4-Tc4)其中、 、分別為導(dǎo)熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)及表面的輻射率，A是換熱面積O-Net Communications CO., LTD.3O-Net Confidential1.熱傳導(dǎo)（ Heat Conduction ） 導(dǎo)熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱 定律計算： Q=A(Th-Tc)/x 其中： A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2; Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度， x為兩個面之間的距離

3、，單位為m。 為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m）O-Net Communications CO., LTD.4O-Net ConfidentialMaterialThermal conductivity(W/m*K)MaterialThermal conductivity(W/m*K)Diamond1000Fiberglass0.04Silver406.0Brick,insulating0.15Copper385.0Brick, red0.6Gold314Cork board0.04Brass109.0Wool felt0.04Aluminum205.0Rock wool0.04Iron79.

4、5Polystyrene0.033Steel50.2Polyurethane0.02Lead34.7Wood0.12-0.04Mercury8.3Air at 0 C0.024Ice1.6Helium (20C)0.138Glass0.8Hydrogen(20C)0.172Concrete0.8Nitrogen(20C)0.0234Water at 20 C0.6Oxygen(20C)0.0238Asbestos0.08Silica aerogel0.003導(dǎo)熱系數(shù)（ Thermal Conductivity ）O-Net Communications CO., LTD.5O-Net Conf

5、identialO-Net Communications CO., LTD.6O-Net Confidentialk (insulation) = 0.20 W/m-Ck (wood) = 0.80 W/m-Cq= kA dT /L Across insulation:qins = (0.20)(40)(25 - T)/0.076 (1) = 2631.6 -105.3 T (2)Across wood:qwood = (0.80)(40)(T - 4)/0.019 = 1684.2 T - 6736.8Heat is like a fluid: whatever flows through

6、the insulation must also flow through the wood:qwood = qins 1684.2 T - 6736.8 = 2631.6 -105.3 T (3)1789.5 T = 9368.4 (4) T = 5.235 C (5)q= qwood = qins (6)q= 1684.2 (5.235) - 6736.8 = 2080 W (7)q= 2631.6 - 105.3 (5.235) = 2080 W (8) Heat Conduction 應(yīng)用案例O-Net Communications CO., LTD.7O-Net Confidenti

7、al2.熱對流（ Heat Convection ） 對流換熱是指運動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是電子設(shè)備散熱中中應(yīng)用最廣的一種換熱方式。 根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機(jī)或其他外部動力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。 機(jī)柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。O-Net Communications CO., LTD.8O-Net Confidential對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算： Q=hA(Tw-T

8、air)其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2 ; Tw 與Tair 分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數(shù)：自然對流時換熱系數(shù)在110W/(*m2)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過35W/(*m2)；強制對流時換熱系數(shù)在10100W/(*m2)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過30W/(*m2）。O-Net Communications CO., LTD.9O-Net Confidential3.熱輻射（ Heat Radiation ） 輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體的輻射計算公式為： E5.67e-8T4 物體表面之間的熱輻射計算

9、是極為復(fù)雜的，是表面的黑度或發(fā)射率，該值取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關(guān)，也與顏色無關(guān)。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度達(dá)到0.8，雪的黑度為0.8。 塑料外殼表面噴漆，PWB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達(dá)到0.8，這些都有利于輻射散熱。對于電子設(shè)備金屬外殼，?？梢赃M(jìn)行一些表面處理來提高黑度，強化散熱，例如表面陽極氧化處理，噴砂等。O-Net Communications CO., LTD.10O-Net ConfidentialSurfaceEmissivity Coefficient, Aluminum Commercial sh

10、eet（工業(yè)薄板）0.09Aluminum Anodized（陽極氧化）0.77Black Epoxy Paint（黑漆）0.89Brass Polished（磨光黃銅）0.03Cotton Cloth（棉布）0.77Copper heated and covered with thick oxide layer0.78Copper Polished（磨光純銅）0.023 - 0.052Glass0.92Gold pure and highly polished（剖光純金）0.018 - 0.035Ice0.97Nickel, oxidized0.59 - 0.86Plastics0.91Si

11、lver Polished0.02 - 0.03Steel Oxidized0.79Steel Polished0.07Water0.95 - 0.963黑度（Emissivity ）O-Net Communications CO., LTD.11O-Net Confidential4.熱阻（ Thermal Resistance ）熱阻計算公式： Q=T/Rth 熱量傳遞過程中，溫度差T是過程的動力，好象電學(xué)中的電壓，換熱量Q是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，Rth稱為熱阻（thermal resistance），單位為/W，就像導(dǎo)熱過程的阻力。 器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱

12、阻，Rjc是器件的結(jié)到殼的導(dǎo)熱熱阻；Rja是器件的結(jié)到殼導(dǎo)熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。O-Net Communications CO., LTD.12O-Net Confidential 兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如右圖所示，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以傳導(dǎo)和輻射的方式穿過該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力成為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料（如硅脂，導(dǎo)熱墊）填充界面間的空氣。 在設(shè)計熱傳導(dǎo)時，一定不能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)不同的應(yīng)用情況以及所處環(huán)境選擇合適的導(dǎo)熱填充

13、材料，如硅脂、導(dǎo)熱膜，導(dǎo)熱墊等。O-Net Communications CO., LTD.13O-Net Confidential 適當(dāng)?shù)脑黾觾蓚€接觸表面上的壓力可以有效的減小接觸熱阻。右圖是接觸熱阻與接觸壓力、表面狀況之間的關(guān)系曲線。 工程上常用的減小接觸熱阻方法：加大接觸表面的壓力；提高兩接觸面的精度；接觸表面增加導(dǎo)熱墊或?qū)峁柚?，?dǎo)熱膏；O-Net Communications CO., LTD.14O-Net Confidential二、散熱器介紹散熱器即為一散熱擴(kuò)展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)劣。Workstation HeatsinkChip HeatsinkServer Heat

14、sinkO-Net Communications CO., LTD.15O-Net Confidential散熱器設(shè)計步驟 1，根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計輪廓圖2，根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則對散熱器齒厚，齒形，齒間距，基板厚度進(jìn)行優(yōu)化3，對散熱器進(jìn)行校核計算O-Net Communications CO., LTD.16O-Net Confidential 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層容易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于6mm，如果散熱器齒高小于10mm，可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。 自然對流的散熱器表面一般要提

15、高表面黑度的處理，表面顏色可以任意選擇，以增大散熱器表面的輻射系數(shù)，強化輻射散熱。 由于自然對流達(dá)到熱平衡的時間比較長，所以自然對流的基板以及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時的熱沖擊，基板厚度建議大于5mmO-Net Communications CO., LTD.17O-Net Confidential鰭片形狀經(jīng)驗設(shè)計：鰭片間距：對于自然對流，肋片間距要在4mm以上肋片角度：約為3O-Net Communications CO., LTD.18O-Net Confidential散熱器基板優(yōu)化：O-Net Communications CO., LTD.19O-Net Confidential不同風(fēng)速

16、下散熱器齒間距選擇方法：O-Net Communications CO., LTD.20O-Net Confidential激光器散熱設(shè)計方案分析： 正確安裝激光器模塊，并且保證與熱沉接觸良好是激光器正常工作的必要保證條件。 圖示所示為一種激光器散熱良好的安裝原理，激光器主要導(dǎo)熱方向是從芯部向下，所以在激光器下部適當(dāng)安裝一個熱沉，并且配合上導(dǎo)熱接觸材料（導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱墊等），在焊接激光器過程中，推薦的壓力為200KPa（30psi，15N）。F：200KPa，30psi，15NThermal interface：Chomerics G579，G974 導(dǎo)熱墊Dow-corning TC-512

17、1導(dǎo)熱硅脂O-Net Communications CO., LTD.21O-Net Confidential案例：器件的散熱措施與封裝不匹配散熱設(shè)計事倍功半 下圖所示散熱方案設(shè)計沒有根據(jù)器件內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)，雖然整個光模塊還加工了散熱片，但激光器產(chǎn)生的熱量沒有一個很好的導(dǎo)熱路徑，激光器在工作過程中，殼體溫度非常有可能會超過規(guī)格。O-Net Communications CO., LTD.22O-Net Confidential好的散熱方案必須針對器件的散熱特性進(jìn)行設(shè)計!根據(jù)不同封裝的器件采用不同的散熱處理方式！O-Net Communications CO., LTD.23O-Net Confi

18、dential三、熱傳界面材料介紹導(dǎo)熱材料能填充界面間隙，降低界面熱阻！ 熱傳界面材料主要包括：導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱墊等 主要用于填充熱源與散熱器之間的面與面的間隙，從而減小接觸熱阻，改善熱源散熱性能。O-Net Communications CO., LTD.24O-Net ConfidentialTIM (Grease及Thermal pad)使用原理Heatsink與芯片表面并非光滑無間，兩表面接觸面存在間隙。因空氣為熱的不良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)系數(shù)K值僅 0. 026 W/m.K。依間隙尺寸5m，芯片功率45W，芯片尺寸20*13mm計算，芯片T-c與散熱器之間兩者溫差為：T=Q*d/(A*

19、K)=45*0.000005/(0.02*0.013*0.023) 37.6。若使用填充介質(zhì)，設(shè)填充介質(zhì)K值為3.3W/m.K，則T=45*0.000005/(0.02*0.013*3.3) 0.26CPUFanHeatsinkHeatsinkCPU間隙O-Net Communications CO., LTD.25O-Net Confidential常用的界面導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱硅脂 通常由復(fù)合型導(dǎo)熱固體填料、高溫合成油（基礎(chǔ)油如硅油），并加有穩(wěn)定劑和改性添加劑調(diào)配而成的均勻膏狀物質(zhì)，常用的導(dǎo)熱脂為白色，也有灰色或金色的導(dǎo)熱脂等顏色。導(dǎo)熱顆粒通常采用氧化鋅、氧化鋁、氮化硼、 氧化銀、銀粉、銅粉等。1

20、）為最常見的界面導(dǎo)熱材料, 常采用印刷或點涂方式進(jìn)行施加。2) 用于散熱器和器件之間，優(yōu)點為維修方便,價格便宜。3）因可以很好的潤濕散熱器和器件表面，減小接觸熱阻，所以其導(dǎo)熱熱阻很小，適合大功率器件的散熱。4）使用時需要印刷或點涂，操作費時，工藝控制要求較高，難度大。特點O-Net Communications CO., LTD.26O-Net Confidential熱阻與硅脂厚度的關(guān)系圖硅脂厚度與組裝壓力的關(guān)系圖結(jié)論：厚度越薄，熱阻越小，因此使用時要控制厚度建議厚度：0.08-0.13mm導(dǎo)熱脂厚度與性能的關(guān)系O-Net Communications CO., LTD.27O-Net Co

21、nfidential使用方法導(dǎo)熱硅脂使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進(jìn)行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。導(dǎo)熱硅脂使用時要求采用鋼板等印刷工裝進(jìn)行硅脂的印刷施加，如下圖所示，可根據(jù)實際單板布局情況靈活選擇印刷在器件或散熱器上。印刷在器件上 印刷在散熱器上 導(dǎo)熱硅脂印刷涂覆面積推薦占器件與散熱器總接觸面積的7080.對于手工涂抹硅脂的器件，要求硅脂盡可能少，厚度盡量薄。O-Net Communications CO., LTD.28O-Net ConfidentialThermal Aging 125結(jié)論：隨著設(shè)備的老化，導(dǎo)熱硅脂也會逐漸揮發(fā)（非常少），從而性能下降，光通訊模塊不建議使用。導(dǎo)熱硅脂的穩(wěn)

22、定性GoodBadO-Net Communications CO., LTD.29O-Net Confidential常用的界面導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱墊主要應(yīng)用及特點： 主要用于當(dāng)半導(dǎo)體器件與散熱表面之間有較大間隙需要填充或幾個芯片要同時要共用散熱器或散熱底盤時，但間隙不一樣的場合或加工公差加大的場合，表面粗糙度較大的場合。 同時由于導(dǎo)熱墊的彈性，使導(dǎo)熱墊能減振，防止沖擊，且便于安裝和拆卸。 可根據(jù)安裝環(huán)境，制備成合適的尺寸，便于安裝，效率和利用率高，組裝成本較低導(dǎo)熱墊(Thermal conductive Gap pad)O-Net Communications CO., LTD.30O-Net Co

23、nfidential導(dǎo)熱墊使用時需要一定的安裝力，選用時需要考慮芯片的承受能力壓縮量越大，熱阻越小壓縮量越大，最終厚度越小，熱阻越小O-Net Communications CO., LTD.31O-Net Confidential 昂納公司EDFA以及其它通訊光模塊使用壽命要求高，建議使用導(dǎo)熱墊，用來填充Pump與結(jié)構(gòu)件之間的間隙，從而降低直接接觸熱阻。建議的導(dǎo)熱材料為： Chomerics G579，G974 導(dǎo)熱墊并且可以按照PUMP大小讓供應(yīng)商裁切成合適大小 導(dǎo)熱材料選用標(biāo)準(zhǔn)：1）導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻：熱性能滿足要求2）硬度：優(yōu)先選用硬度較低的材料3）絕緣性能：耐壓滿足產(chǎn)品需求4）阻燃：阻燃

24、等級要求ChomericsG579K=3.0W/mK厚度：0.5,1.0mm推薦壓縮量30ChomericsG974K=5.0W/mK厚度：0.25mm推薦壓縮量30O-Net Communications CO., LTD.32O-Net ConfidentialStep1：將導(dǎo)熱墊貼在散熱器或器件上；Step2：垂直力撕去離心紙；使用方法導(dǎo)熱墊使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進(jìn)行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。O-Net Communications CO., LTD.33O-Net Confidential四、熱管介紹 熱管與風(fēng)扇昂納公司使用較少，暫不做介紹。 普通熱管由管殼、吸液芯和工質(zhì)組

25、成，如圖所示。O-Net Communications CO., LTD.34O-Net Confidential 在選擇風(fēng)扇的時候，主要關(guān)注風(fēng)量，風(fēng)壓，噪音，壽命等參數(shù)是否滿足設(shè)設(shè)計要求O-Net Communications CO., LTD.35O-Net Confidential風(fēng)扇使用注意事項：O-Net Communications CO., LTD.36O-Net Confidential五、散熱測試儀器介紹種類工作原理測溫范圍（）特點熱敏電阻電阻值隨溫度變化2001000 小型價廉 適用于一般設(shè)備熱電偶溫差電效應(yīng)200600 適用于小空間測溫 響應(yīng)速度快 與二次儀表配套使用目前

26、公司常用的接觸式溫度傳感儀器為：熱敏電阻， 熱電偶。熱電偶使用中切勿破壞熱電偶頭部焊球。熱電偶與被測表面接觸有以下3種方式：點接觸，面接觸，等溫線接觸。在相同外界條件下：c的接觸方式最好，a的最差。O-Net Communications CO., LTD.37O-Net Confidential水箱位置總電源開關(guān)運轉(zhuǎn)功能鍵電源停止等觸控螢?zāi)缓銣睾銤窆袷翘峁┮粋€恒定的測試環(huán)境（溫度和濕度），以供測試。內(nèi)尺寸：100*80*100（cm）外尺寸：167*113*187（cm）溫度範(fàn)圍：0100濕度範(fàn)圍：1098%RH恒溫恒濕柜：O-Net Communications CO., LTD.38O-

27、Net Confidential手持式溫度儀插上熱電偶線后能方便的顯示溫度熱電偶能配合溫度記錄儀準(zhǔn)確測試出流體的溫度，固體以及固體壁面的溫度。風(fēng)速儀能簡單測試恒溫箱流場風(fēng)速溫度儀，熱電偶，風(fēng)速儀：O-Net Communications CO., LTD.39O-Net Confidential六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢熱仿真分析介紹: 電子設(shè)備熱設(shè)計軟件是基于計算傳熱學(xué)技術(shù)（NTS）和計算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）發(fā)展電子設(shè)備散熱設(shè)計輔助分析軟件，它可以幫助熱設(shè)計工程師驗證、優(yōu)化熱設(shè)計方案，滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需要，并可以顯著降低產(chǎn)品驗證熱測試的工作量.熱仿分析技術(shù)軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的作用1.對產(chǎn)

28、品的溫度場作出預(yù)測，使我們在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)時關(guān)注熱點區(qū)域2.進(jìn)行各種設(shè)計方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設(shè)計方案3.對產(chǎn)品的風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率O-Net Communications CO., LTD.40O-Net Confidential傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法與仿真分析方法的比較 在操作流程上面的差異 傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法利用設(shè)計者的經(jīng)驗確定出設(shè)計方案，然后利用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算，在通過試驗進(jìn)行驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。 仿真分析軟件可以同時對多種設(shè)計方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析比較，并能夠確定出最佳的設(shè)計方案。如果軟件使用者具有足夠的熱設(shè)計經(jīng)驗，則完全可以省略試驗驗證的環(huán)節(jié)，從而達(dá)到縮短設(shè)計

29、周期的目的。對設(shè)計者經(jīng)驗的依賴度設(shè)計周期熱設(shè)計一次成功率熱設(shè)計方案的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設(shè)計方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強長高高，裕量適中高O-Net Communications CO., LTD.41O-Net Confidential1. 電子設(shè)備的熱耗不斷增加2. 用戶要求設(shè)備小巧輕便3. 使用環(huán)境的多樣化4. 散熱:設(shè)備失效的首要禍患電子設(shè)備的散熱問題O-Net Communications CO., LTD.42O-Net Confidential不同級別的熱設(shè)計和熱仿真元件級環(huán)境級 系統(tǒng)級子系統(tǒng)級（組件或PCB板）O-Net Communications CO., LTD.

30、43O-Net Confidential在什么時候進(jìn)行熱仿真開始生產(chǎn)周期成本在產(chǎn)品設(shè)計早期使用CFD軟件仿真在產(chǎn)品后期使用CFD軟件進(jìn)行仿真常規(guī)的產(chǎn)品設(shè)計O-Net Communications CO., LTD.44O-Net Confidential七、散熱設(shè)計實例分析冷卻方式的選擇方法案例： 某電子設(shè)備的功耗為300W，機(jī)殼的幾何尺寸為248381432mm，在正常大氣壓下，若設(shè)備的允許溫升為40，試問采用那種冷卻方法比較合理？ 計算熱流密度：q=300/2(24.838.1+24.843.2+38.143.2)=0.04W/cm2根據(jù)圖查得，當(dāng)t=40，q=0.04W/cm2時，其交點正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所以采用自然冷卻方法就可以滿足要求。 若設(shè)備的溫升有嚴(yán)格限制，假設(shè)只允許10，由圖可以看出，需強迫風(fēng)冷才能 滿足要求。O-Net Communications CO., LTD.45O-Net Confident