散熱設(shè)計(jì)知識(shí)

1、散熱設(shè)計(jì)知識(shí)散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第1頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)熱傳導(dǎo)三種類型(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)定義：熱量從物體中溫度較高個(gè)別傳到溫度較低個(gè)別或者從溫度較高物體傳到與其接觸溫度較低物體。物體各個(gè)別間無宏觀相對(duì)位移;熱量在傳遞過程中無能量形式改變。特點(diǎn)：散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第2頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)計(jì)算公式：(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)Ft1t2dAl為導(dǎo)熱系數(shù)，(熱導(dǎo)率)，W/(m . oC)熱傳導(dǎo)三種類型散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第3頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)(2) 熱對(duì)流(Convection)特點(diǎn)：流體各個(gè)別間發(fā)生宏觀相對(duì)位移；熱量在傳遞過程中無

2、能量形式改變；只能發(fā)生在流體中；必定拌有導(dǎo)熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)三種類型定義：在流體中溫度不一樣各個(gè)別之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引發(fā)熱量傳遞。散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第4頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)(2) 熱對(duì)流(Convection)對(duì)流換熱：流體流過固體壁面時(shí)熱量交換。熱傳導(dǎo)三種類型對(duì)流換熱計(jì)算公式：twtfAl為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2 . oC)散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第5頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)(3) 熱輻射(Thermal Radiation)輻射：物體經(jīng)過電磁波來傳遞能量過程Radiation is a process that the energy may be transferred by ele

3、ctromagnetic wave.因?yàn)闊嵩蚨a(chǎn)生輻射，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。特點(diǎn)：能量可在真空中傳輸;熱量在傳遞過程中發(fā)生形式上改變。計(jì)算公式：為常數(shù)，5.669710-8W/(m2 . oC4)熱傳導(dǎo)三種類型散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第6頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)一個(gè)常見散熱方式 t1,h1高溫流體對(duì)流換熱t(yī)2,h2低溫流體對(duì)流換熱導(dǎo)熱散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第7頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)工程傳熱問題可分為兩種類型b 確定溫度場a 計(jì)算傳熱量散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第8頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)單位時(shí)間、單位面積上傳熱量(熱流密度)與溫度梯度成正比。傅立葉定律 Four

4、iers Law (1822年)傅立葉定律導(dǎo)熱基礎(chǔ)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.Fourierl導(dǎo)熱系數(shù),W/(m)散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第9頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)假設(shè)：1、連續(xù)介質(zhì)；2、各向同性；所依據(jù)定律：傅立葉定律、能量守恒定律3、均勻內(nèi)熱源，強(qiáng)度 為 (W/m3);4、密度、比熱為常數(shù)。導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Eq

5、uation and Definition Conditions）散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第10頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時(shí)：導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions） 一、直角坐標(biāo)系中導(dǎo)熱微分方程散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第11頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)假如無內(nèi)熱源：傅立葉方程假如穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源：拉普拉斯方程導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）假如穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：泊松方程散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第12頁2

6、022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)第一類邊界條件：給定物體邊界上任何時(shí)刻溫度分布。導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）邊界條件tboundary-1tboundary-3tboundary-4tboundary-2第二類邊界條件：給定物體邊界上任何時(shí)刻熱流密度。 第三類邊界條件：給定物體邊界與周圍流體間對(duì)流換 熱系數(shù) h 及流體溫度tf。散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第13頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)熱導(dǎo)率為常數(shù)k,且兩表面溫度均勻恒定均質(zhì)平板中一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題是最簡單傳熱問題取梯度方向?yàn)閤,將傅立葉方程

7、分離變量并積分可得整理可得：x/kA稱作熱阻，能夠看作類似電阻物理量，并聯(lián)、串聯(lián)定理依然成立一維導(dǎo)熱問題熱阻散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第14頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)接觸熱阻 (Contact Resistance) 定義：在兩個(gè)物體交界面上有熱量傳遞時(shí)，界面上將產(chǎn)生一定溫度降落，引發(fā)這種溫度降落熱阻稱為接觸熱阻。 散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第15頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)1、提升對(duì)流換熱系數(shù)；2、降低tf；經(jīng)常是不實(shí)際；3、增大換熱面積，常見方法。twtfh在表面溫度tw一定時(shí)，提升傳熱量方法：延展表面：是在固體上凸出、在其內(nèi)部由熱傳導(dǎo)傳遞熱量而在界面上與周圍環(huán)境之間由對(duì)流(和/或輻射)傳遞熱量表面。延

8、展表面導(dǎo)熱 散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第16頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)ttwhdxQfFhHtwtfh延展表面導(dǎo)熱 代入傅立葉方程能夠得出解析表示式，算出延展表面導(dǎo)熱量，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)普通進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第17頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)考慮右圖微體積元，依據(jù)體積元內(nèi)質(zhì)量改變等于流入與流出質(zhì)量之差可得流體連續(xù)性方程：其中，u,v,w分別是x,y,z方向流速，是流體密度，假如流體定常，則有對(duì)流相關(guān)流體方程散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第18頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài) 動(dòng)量方程對(duì)流相關(guān)流體方程能量方程其中，a=k/c，k為導(dǎo)熱系數(shù)， 是密度，c為恒壓熱容散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第

9、19頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)速度邊界層速度邊界層定義：壁面到99%U區(qū)域，對(duì)流相關(guān)邊界層將流場分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個(gè)區(qū)域 在邊界層內(nèi)速度改變比較猛烈，會(huì)產(chǎn)生較大粘性切應(yīng)力因?yàn)楣鼙诤土黧w之間存在黏性，管壁附近流體速度存在梯度散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第20頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)對(duì)流相關(guān)邊界層層流(laminar)：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，彼此平行伴隨流速變快，層流變成湍流湍流(turbulent)：流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，不平穩(wěn)散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第21頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)對(duì)流相關(guān)邊界層流體流動(dòng)時(shí)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(hào)Re表示，無量綱參數(shù)普通：Re:層流

10、Re4000:湍流散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第22頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)對(duì)流相關(guān)邊界層貝克萊數(shù)：用P或Pe表示，是一個(gè)無量綱數(shù)值，用來表示對(duì)流與擴(kuò)散相對(duì)百分比。伴隨Pe數(shù)增大，輸運(yùn)量中擴(kuò)散輸運(yùn)百分比降低，對(duì)流輸運(yùn)百分比增大。散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第23頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)邊界層關(guān)鍵點(diǎn)：當(dāng)粘性流體流過固體表面時(shí)，能夠?qū)⒘鲃?dòng)劃為邊界層區(qū)和 主流區(qū)。邊界層厚度與壁面尺度相比是一個(gè)非常小量。在邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊 靠壁面處仍有極薄一層保持層流流動(dòng)，稱為層流底層。溫度也存在邊界層。對(duì)流傳熱計(jì)算非常復(fù)雜，普通都采取數(shù)值模擬計(jì)算，確定雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)能夠確定采取何種模型進(jìn)行計(jì)算

11、對(duì)流相關(guān)邊界層散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第24頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)電子系統(tǒng)散熱方法芯片級(jí)經(jīng)過設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)使芯片熱量快速傳遞到芯片表面封裝級(jí)設(shè)計(jì)適當(dāng)封裝結(jié)構(gòu)和固晶方式，將熱量快速從LED芯片導(dǎo)出到散熱裝置上面 系統(tǒng)級(jí)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)適當(dāng)散熱方式，將產(chǎn)生熱量散到環(huán)境中 散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第25頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)芯片級(jí)散熱（以LED為例）電子系統(tǒng)散熱方法普通LED器件倒裝焊LED器件散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第26頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)電子系統(tǒng)散熱方法封裝級(jí)散熱（以LED為例） 第一、封裝成本必須價(jià)格低廉；第二、良好電和熱傳導(dǎo)；第三、熱應(yīng)力和可靠性，少熱應(yīng)力需要改進(jìn)散熱管理，使光源內(nèi)溫度梯度到達(dá)最

12、?。坏谒?、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。 當(dāng)前，常見技術(shù)：改進(jìn)焊料，采取高導(dǎo)熱率焊料AuSn共晶焊采取高導(dǎo)熱率熱沉AlN陶瓷封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第27頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)電子系統(tǒng)散熱方法共晶是指在相對(duì)較低溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合現(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共晶焊料有廣泛應(yīng)用 2.5 W/mK 20 W/mK 57W/mK (silver colloid) (silver colloid) (Au-Sn solder) AlN陶瓷是優(yōu)良導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱率可達(dá)300 W/mK以上 ，是LED常

13、見導(dǎo)熱材料；金屬Al導(dǎo)熱率可達(dá)200 W/mK左右，價(jià)格廉價(jià)，也是常見散熱材料散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第28頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)電子系統(tǒng)散熱方法系統(tǒng)級(jí)散熱自然散熱，完全依靠本身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱，成本最低，能力也最差。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱，借助強(qiáng)迫對(duì)流散熱，熱量能夠更快速地?cái)U(kuò)散。不過這種散熱方式增加了成本和電損耗，而且風(fēng)扇壽命有限，風(fēng)扇在運(yùn)行中有一定噪音。另外，這種散熱方式用在戶外燈具上因?yàn)榉浪笫褂眯Ч麜?huì)比較差。熱管散熱，與加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱相比，熱管散熱技術(shù)不需要增加額外控制電路，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。不過，外觀帶來很大問題，增大了體積。另外，高效率熱管成本也比較高。半導(dǎo)體制冷。半導(dǎo)體制冷含有壽命長、

14、無噪音優(yōu)點(diǎn)。不過成本很高，使用條件要求苛刻。使用方法不恰當(dāng)反而會(huì)增大散熱負(fù)擔(dān)。 散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第29頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)散熱設(shè)計(jì)軟件Icepak設(shè)計(jì)不一樣散熱系統(tǒng)需要進(jìn)行建模、計(jì)算，手工進(jìn)行是不現(xiàn)實(shí)，需要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)一款常見設(shè)計(jì)軟件IcepakIcepak是FLUENT企業(yè)一款面向工程師開發(fā)專業(yè)電子產(chǎn)品熱分析軟件。包含建模、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、流速場分布，再經(jīng)過后處理工具可視化處理。能夠計(jì)算電子設(shè)備部件級(jí)，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)問題。散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第30頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大學(xué)Icepak應(yīng)用舉例問題描述機(jī)柜包含5個(gè)高功率設(shè)備（密封在一個(gè)腔體內(nèi)），一塊背板plate，10 個(gè)翅片fins，三個(gè)fans, 和一個(gè)自由開孔，如圖1.1 所表示。Fins 和plate 用xtruded aluminum. 每個(gè)fan質(zhì)量流量為0.01kg/s，每個(gè)ource 為33W.依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度為20C 時(shí)設(shè)備基座不能超出65C。散熱設(shè)計(jì)知識(shí)第31頁2022/9/4北洋集團(tuán)清華大