電子設備熱設計第三講

電子設備熱設計第三講2023/12/27電子設備熱設計第三講主要內(nèi)容來由性能優(yōu)化選擇與設計材料加工工藝電子設備熱設計第三講HeatSinks電子設備熱設計第三講肋片散熱器(heatsinks)的來由電子設備熱設計第三講Newton’slawofcooling:

Q=h.A.(Tw-Tf)增強傳熱的方式增加傳熱面積增強表面對流換熱系數(shù)在電子設備的總尺寸、重量、所耗金屬材料、流阻性能增加不多的前提下，采用肋片散熱器，其散熱量最大可增加一個數(shù)量級。電子設備熱設計第三講最簡單的形式電子設備熱設計第三講電子設備熱設計第三講肋片散熱器(heatsinks)的性能電子設備熱設計第三講散熱效率Heatsinkefficiencyisdefinedas:

=Q/(m.c.DTsA)

Q=thetotalheatflow熱流 m=theairmassflowrate氣流質(zhì)量流量 c=thespecificheatofthecoolingfluid,and冷空氣熱容

DTsA=averagetemperaturedifferencebetweenheatsinkandcoolingfluid散熱器與冷空氣之間的平均溫差電子設備熱設計第三講肋片散熱器的傳熱分析－假設

①肋片上任何一點的溫度不隨時間變化；②肋片材料的材質(zhì)均勻，導熱系數(shù)為常數(shù)；③肋片與環(huán)境之間的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)；④周圍環(huán)境流體的溫度為常數(shù)；⑤肋片僅在其高度方向有溫度梯度；⑥在肋片根部不存在接觸熱阻；⑦肋片根部溫度均勻且為常數(shù)；⑧肋片內(nèi)部無熱源；⑨忽略肋端面和側(cè)面的對流換熱。電子設備熱設計第三講肋片效率肋片實際散熱量與理想情況（即假定肋片材料的導熱系數(shù)為無限大，肋片上任一點溫度均等于肋根溫度）下散熱量之比流體流過肋片散熱器時熱阻為僅考慮了流體流過肋片表面的熱阻，而未考慮肋片根部基壁表面對傳熱的影響。電子設備熱設計第三講肋片表面效率有效傳熱面積與總傳熱面積之比帶肋片壁面換熱熱阻為包含了流體對肋片表面的對流傳熱熱阻及肋片的導熱熱阻，后者反映在表面效率上。電子設備熱設計第三講m值的意義肋片材料和流體物性的函數(shù)為橫截面周長，為橫截面面積電子設備熱設計第三講肋片散熱器(heatsinks)的優(yōu)化電子設備熱設計第三講肋片參數(shù)的優(yōu)化隨著肋片高度的增加，肋片的散熱量必定增加？電子設備熱設計第三講剖面型線剖面面積系數(shù)最佳關系表面效率最佳條件剖面面積最佳肋根厚最佳肋高11.4190.6270.500.6320.7980.51.3090.5940.3470.8280.8420.331.4140.5020.3331.01.0電子設備熱設計第三講散熱器的基板厚度優(yōu)選電子設備熱設計第三講不同風速下散熱器齒間距選擇方法電子設備熱設計第三講不同翅片厚度下散熱器齒間距選擇方法電子設備熱設計第三講Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1C0.5”x0.6”x0.5”0.5”x1.5”x0.5”1.5”x0.6”x0.5”0.5”x0.6”x1.5”寬度加倍，散熱能力加倍fin的長度加倍，散熱能力為1.4倍電子設備熱設計第三講Tj=64.0CTj=63.7C1.5”x1.5”x1.6”2.0”x2.0”x1.6”電子設備熱設計第三講Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1CTj=64.0CTj=63.7CAluminumCopper1.5”x1.5”x1.6”1.5”x1.5”x1.6”電子設備熱設計第三講優(yōu)化軟件Cool-CAT,afreeheatsinkdesignsoftwarefromAAVID,Inc.Qfin,distributedbyAppliedThermalTechnologiesCool-CAT需要輸入的參數(shù)有散熱器的尺寸fin的數(shù)目和厚度散熱器的高度芯片的功耗平均氣流速度輸出有fin數(shù)目變化時散熱器的效率散熱器的總體熱阻電子設備熱設計第三講肋片散熱器(heatsinks)的選擇與設計電子設備熱設計第三講Toselectaheatsinkforagivenapplication,wemustconsiderfourthings:針對給定的應用選擇散熱器，我們必須考慮以下四點：Theoverallthermalresistancefromjunctiontoair,Rja從結(jié)點到空氣的熱阻Theavailablespace允許空間Theamountofairflowavailable可能的空氣流量Costoftheheatsink散熱器的成本Theoverallthermalresistanceisdefinedas:整體的熱阻為： Rja=(Tj-Tamb)/P=Rjc+Rcs+Rsa電子設備熱設計第三講通常Rja隨著下列因素提高而降低：heatsinksize散熱器的尺寸fin數(shù)目airvelocityaroundtheheatsink散熱器周圍空氣流速對于給定的散熱器，Rja隨著氣流速度提高而降低，到了一定程度，Rja降低量可以忽略不計，原因是邊界層已完全形成。電子設備熱設計第三講HeatSinkResistance散熱器的熱阻電子設備熱設計第三講對通風條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風冷。對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風冷。對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。散熱器冷卻方式的判據(jù)電子設備熱設計第三講主動和被動散熱依照從散熱器帶走熱量的方式，還可以將散熱器分為主動散熱和被動散熱。前者常見的是風冷散熱器，而后者常見的就是散熱片。進一步細分散熱方式，可以分為風冷，液冷，半導體制冷，壓縮機制冷，液氮制冷等等電子設備熱設計第三講

通常散熱器的設計分為三步1:根據(jù)相關約束條件設計出輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化。3:進行校核計算。散熱器設計的步驟電子設備熱設計第三講自然冷卻散熱器的設計注意事項

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12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。電子設備熱設計第三講強迫冷卻散熱器的設計注意事項在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。當風速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。

電子設備熱設計第三講在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法電子設備熱設計第三講不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較電子設備熱設計第三講肋片散熱器的材料電子設備熱設計第三講ThermalPropertiesofHeatSinkMaterials散熱器材料熱特性電子設備熱設計第三講肋片散熱器底座與翅片材料需求散熱器所要做的的就是要將聚集CPUDie中的熱量傳導到更大的熱導體并通過巨大的散熱面積與空氣進行熱交換。在這個過程中，散熱片的底座是與CPU接觸并聚集熱量的地方，而翅片則是熱量傳導的終點，最終將熱量散失到空氣中。所以，散熱器的底座和翅片是最值得重視的兩個部分。首先是散熱器底座在短時間內(nèi)能盡可能多的吸收CPU釋放的熱量，即瞬間吸熱能力，只有具備高熱傳導系數(shù)的金屬才能勝任。其次是散熱器本體應當具備足夠的儲熱能力，即較大的熱容量，通常承擔這個任務的是翅片。對于金屬導熱材料而言，比熱和熱傳導系數(shù)是兩個重要的參數(shù)。目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金。而鋁合金容易加工，成本低，所以也是應用最多的材料。相比之下，銅的瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。采用銅鋁結(jié)合制造，采用銅金屬底座或銅柱芯，而散熱翅片采用鋁合金。憑借較高的導熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。電子設備熱設計第三講肋片散熱器底座與翅片材料需求同樣體積的散熱材料，銅的重量是鋁的3倍；而鋁的比熱僅為銅的2.3倍。所以相同體積下，銅散熱片可以比鋁散熱片容納更多的熱量，升溫更慢。同樣一塊厚度的底部，銅不但可以快速引走CPUDie的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。兩種金屬的結(jié)合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產(chǎn)生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻）。電子設備熱設計第三講肋片散熱器的加工工藝電子設備熱設計第三講TypesofHeatSinksavailable:現(xiàn)有的散熱器種類：Stampings沖壓Extrusions拉伸Bonded/Fabricated粘接Folded折疊Liquid-cooledcoldplates液體冷板Casting鑄造電子設備熱設計第三講StampingHeatSinks:沖壓散熱器aremadeofcopperoraluminumsheetmetal銅片或鋁片可用壓印的方式制成所需的形狀lowcost,highvolumesolutionforlowpowerapplications成本低，適合批量供應，可用于低熱密度的器件。而壓印的器件在組裝上也有自動化的便利性，因此可進一步降低成本。電子設備熱設計第三講ExtrusionHeatSinks:拉伸（擠型）散熱器將鋁錠高溫加熱至約520~540℃，在高壓下讓鋁液流經(jīng)具有溝槽的擠型模具，作出散熱片初胚，然再對散熱片初胚進行裁剪、剖溝等處理。maybeusedforlargewattageloads大發(fā)熱量canbelongitudinal,cross-cut,orserratedtypes可由橫切的方式產(chǎn)生各種形式的針狀翅片Limitedbyheight-to-gapratioandfinthicknessthatcanbeachievedbymachining高寬比限制可高至6，使用特殊磨具設計可達10電子設備熱設計第三講Cross-cutExtrudedHeatSink(Maybeusedwhenflowisnotinonedirection)電子設備熱設計第三講Bonded/FabricatedHeatSinks:粘接（接著）散熱器接著散熱片將鰭片組裝于散熱片底部，接著劑對散熱片的效率影響很大，如果制造不當，會形成熱的阻礙，一般使用導熱膠或是焊錫。接著散熱片的底部由于需特別加工，Nolimitationonheight-to-gapratioorfinthickness，Theyarehighperformanceheatsinks可獲得高的高寬比或翅片厚度，，在不增加體積需求下可大量增加冷卻效率插齒技術和回流焊技術電子設備熱設計第三講Bonded-finHeatSink(Maybeusedforlargesurfaceareaneeds)電子設備熱設計第三講Folded-FinHeatSinks:折疊-fin散熱器Thincorrugatedsheetmetalbondedorbrazedtobasemetal折迭散熱片將金屬片折迭成鰭片數(shù)組形狀，由于將折迭的金屬片藉由焊錫及銅焊接的方式焊接于散熱片底部，因此在接口上造成額外的熱阻Arelowprofileheatsinks電子設備熱設計第三講Folded-FinHeatSink(maybeusedforincreasedsurfacearea)電子設備熱設計第三講CastingHeatSinks:鑄造散熱器Sand,lostcoreanddiecastingwith/with