散熱設(shè)計手冊

散熱、吸熱，還是絕熱重要？在這兒之前,有一個很重要的問題要問各位,您知道什么是"熱"嗎?在您選擇一項產(chǎn)品之前.您得先知道您用鈔票換得手中的寶貝要解決的是什么物理現(xiàn)象,千萬別當(dāng)了冤大頭!"熱(Heat)"是能量嗎?嚴(yán)格來說它不算是能量,應(yīng)該說是一種傳遞能量的形式.就好象作功一樣.微觀來看,就是區(qū)域分子受到外界能量沖擊后,由能量高的分子傳遞至能量低的區(qū)域分子(就像是一種擴(kuò)散效應(yīng)),必須將能量轉(zhuǎn)嫁釋放出來.所以能量的傳遞,就是熱.而大自然界最根本的熱產(chǎn)生方式,就是劇烈的摩擦(所謂摩擦生熱如是說!).從電子(量子力學(xué))學(xué)的角度而言,當(dāng)電子束滑過電子信道時,會因為與導(dǎo)線(trace)劇烈摩擦而產(chǎn)生熱,它形成一股阻力,阻止電子流到達(dá)另一端(就像汽車煞車的效果是一樣的).我們統(tǒng)稱作"廢熱".所以當(dāng)CPU的速度越高,表示它的I/O(Input/Output)數(shù)越高,線路布局越復(fù)雜.就好比一塊同樣面積的土地上.您不斷的增加道路面積;不斷的膨脹車流量,下場是道路越來越窄,而車子越來越多,不踩煞車,能不出車禍嗎?當(dāng)然熱量越來越高.信不信,冷颼颼的冬天,關(guān)在房里打計算機(jī),你會愛死它,又有得殺時間,又暖和!只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近了……"傳熱(HeatTransfer)":既然說熱是一種傳遞能量的形式.那就不能不談傳遞的方法了.總的來說整個大自然界能量傳遞的方式被我們聰明的老祖先(請記住.熱力學(xué)ThermalDynamic是古典力學(xué)的一種!)概分為三種,接下來我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門神功的三大根本奧義讓各位知道:1.)熱傳導(dǎo)(Conduction)物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時,能量傳遞的最根本形式(這里所說的物質(zhì)包括氣體,液體,與固體).當(dāng)然氣體與液體(我們統(tǒng)稱為流體)本身因為結(jié)構(gòu)不似固體緊密.我們又有另外一個專有名詞來形容它,叫做熱擴(kuò)散(Diffusion).假設(shè)諸位看官真有興趣的話,不妨把下面的公式熟記,對以后您專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成,抑或是將來更深入的技術(shù),探討彼此的溝通都非常有幫助(這可是入門的第一招式,千萬別放棄您當(dāng)專業(yè)消費(fèi)者的權(quán)益了!).另外,為了防止您一開始走火入魔,請容我先將所有的單位(Unit)都拿掉.Q=K*A*ΔT/ΔL其中Q為熱量;就是熱傳導(dǎo)所能帶走的熱量.K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)值(Conductivity);請記住,它代表材料的熱傳導(dǎo)特性,就像是出生證明一樣.假設(shè)是純銅,就是396.4;假設(shè)是純鋁,就是240;而我們都是人,所以我們的皮膚是0.38,記住!數(shù)值越高,代表傳熱越好.(詳細(xì)的材料表我將于日后擇篇幅再補(bǔ)述!)A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積.)ΔT代表兩端的溫度差;ΔL那么是兩端的距離.讓我們來看一以下圖標(biāo),更加深您的印象!熱傳導(dǎo)后溫度分布銅材的導(dǎo)熱系數(shù)高,經(jīng)過熱傳導(dǎo)后,溫度在銅材中分布就非常均勻,相反的,木材的導(dǎo)熱系數(shù)偏低,于是相同的傳導(dǎo)距離,木材的溫度分布就明顯的不均勻(溫度顏色衰減的非常快;表示熱量傳導(dǎo)性不良.)從上述的第一招式我們可以知道.熱傳導(dǎo)的熱傳量.跟傳導(dǎo)系數(shù),接觸面積成正比關(guān)系(越大,那么傳熱越好!)而跟厚度(距離)成反比.好,有了這個觀念,現(xiàn)在讓我們把焦點轉(zhuǎn)到散熱片身上,當(dāng)散熱片與熱源接觸,我們需要的是"吸熱",能夠大量的把熱吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散熱片的底部會加一塊銅板不是嗎?或甚至干脆用銅當(dāng)散熱片底板.就是因為它的熱導(dǎo)系數(shù)比鋁多出將進(jìn)一倍(當(dāng)然還有其它技術(shù)原因,容我先賣個關(guān)子).嘿,嘿,聰明的讀者,您一定也發(fā)現(xiàn)了一個問題,散熱片的底部厚度好象越來越厚耶!如果照我說的話,那不是傳熱效果越差了嗎?如果您會問這個問題?先恭喜您!您已經(jīng)有本領(lǐng)報名英雄大會了.這牽涉到另外一門有趣的課題.因篇幅關(guān)系,這一次我并不打算放進(jìn)來.請諸位海涵!2.)熱對流(Convection)流動的流體(氣體或液體)與固體外表接觸,造成流體從固體外表將熱帶走的熱傳遞方式.這一招是三招里面最為博大精深的一招,老祖先依其流體驅(qū)動的方式將之轉(zhuǎn)換折成貌和神離的兩招,分別是A.)自然對流(NaturalConvection):流體運(yùn)動是來自于溫度差.溫度高的流體密度較低,較輕會向上運(yùn)動.相反的,溫度低的流體那么向下運(yùn)動.所以是流體受熱之后產(chǎn)生驅(qū)動力.(這里各位要牢記一件事,只要溫差,沿著重力場方向的流體就會開始運(yùn)動,帶走熱量!)B.)強(qiáng)制對流(ForceConvection):顧名思義,流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動力如風(fēng)扇驅(qū)動而產(chǎn)生運(yùn)動.驅(qū)動力往那兒吹,流體就往那兒跑,與重力場無關(guān).不是很了解對吧!百聞不如一見,脫掉你寶貝計算機(jī)的灰白色夾克.您應(yīng)該會看到如以下圖所示的精采內(nèi)臟.如此清楚了嗎?芯片組散熱片不加風(fēng)扇,利用的是自然對流將熱量帶走,表示熱量不高(一般來說介于3瓦~8瓦).至于CPU那么因為熱量較高(尤其是桌上型計算機(jī),至少都在30瓦以上),自然對流的散熱量缺乏以帶走廢熱,因此得利用到風(fēng)扇驅(qū)動.至于更詳細(xì)的各種芯片封裝(package)制程,規(guī)格資料與散熱量的關(guān)系(別忘了CPU也是一種封裝,只是檔次較高!),還有自然對流及強(qiáng)制對流在散熱片設(shè)計上的考量差異性,我會在往后的篇幅中以專題的方式撰寫.讓各位不但對電子散熱有所了解,更知道整條電子鏈的運(yùn)作模式.看看它的公式吧!為什么說它最博大精深是有原因的.到了這兒,請千萬小心,步步都是富貴險中求.殊不知多少江湖英豪;名門俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜,實那么風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域(包括筆者都曾差點兒翻不了身).一那么是從此開始.您才真正進(jìn)入"散熱"的大堂.一那么是這里又多了一門至深至幻的學(xué)問叫做流體力學(xué)(FluidDynamic).我想試問各位一生中有多少次時機(jī)看到風(fēng)扇是怎么吸空氣;又是怎么把空氣吹出來的?我們換個角度想,要讓流體產(chǎn)生運(yùn)動,一個必要的因素是什么?知其然,更要知其所以然,道行高的您或許已開始發(fā)出會心的一笑,還不了解的看官也別擔(dān)憂,這運(yùn)功煉氣可是半點兒急不得.漸納慢吐,氣通任督灌丹田,才是習(xí)知之道.Q=H*A*ΔTQ為熱對流所帶走的熱量.H為熱對流系數(shù)值(HestTransferCoefficient).這里是筆者及數(shù)字高人討論過后,一致公認(rèn)散熱領(lǐng)域內(nèi)最虛無飄渺的一個參數(shù)了.它既不是材質(zhì)特性,更不是什么散熱標(biāo)準(zhǔn).說穿了還真有點兒好笑.這是老祖先想破了頭還是一無所知的情況下,直接寫下的腳注.不信嗎?敢問諸位高手,只聽過H是隨著流體狀態(tài);流場形式;固體外表形狀的影響而改變的"常數(shù)"值(例如:垂直方向的平板流H=10~20,最多是個H與速度的幾次方成正比關(guān)系),從沒看過哪一個方程式是可以解出H值的.(道道地地,不折不扣的"經(jīng)驗值"!!)A代表熱對流發(fā)生時的"有效"接觸面積.這里我要再一次強(qiáng)調(diào).外表積大只是好看,有效外表積也大那才夠?qū)嵲?至于什么是"有效",將來我會舉一些活生生的實例給各位看,到時候可別合不攏嘴.散熱片的變化無窮,主要在于它的鰭片設(shè)計,一個設(shè)計良好的鰭片.會內(nèi)外兼顧,不但跟空氣的接觸外表積大,而且大的很實在.否那么花那種冤望錢,不如自己做一塊銅塊蓋上去不就好了嗎?當(dāng)然金屬量產(chǎn)的加工制程上有一定的限制,不同的制造工藝各有其優(yōu)缺點,有時設(shè)計者不得不作一些妥協(xié)與讓步.ΔT代表固體外表與區(qū)域流體(LocalAmbient)的溫度差.這里就更驚險了.散熱片的設(shè)計,一個不小心就會跌入這個要命的陷阱里,它跟上面的所謂"有效"接觸面積還真有那么一點關(guān)系,我留一點兒空間先不說穿,讓各位也想一想.為什么我說到了這兒才算真正開始處理散熱問題.因為不管自然對流或強(qiáng)制對流,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)實惠的方式.殊不知地球大氣運(yùn)行時的妙用無窮,我們換一個角度想,能量守恒定律,或許您也能參詳一二.周圍盡是用不完的空氣,不拿它來出出氣,怎么說也是暴斂天物,您說是嗎?下一次我們再談另一個能量傳遞的方式(它也是"散熱"的一員,只是平時韜光養(yǎng)晦,深藏不露,但發(fā)起威來,套句廣告詞~"凡人無法檔").而且角色變化多端,非常有個性,也是筆者最喜歡的一個,請容我在此先擱筆.咱們下次再談!散熱,吸熱,還是絕熱重要?接下來介紹的,可又是散熱的一名角兒.只是它的名氣沒"熱對流"來的大,一般說來在主動式散熱片(ActiveCooler)的散熱比例上占的份量也有限,所以大伙兒常忽略它.可是它在實際生活中扮演的角色可豐富了.您加熱時絕對有它,散熱時它也有份,當(dāng)要絕熱時,更不能沒有它,更夸張的是,少了它,地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會失衡,看下去吧,向您鄭重介紹……3.)熱輻射(Radiation)假設(shè)說上一招"熱對流"是謂博大精深,那這一招可就真算得上是"清風(fēng)拂山崗;明月照大江"的太極絕學(xué)了.待我解釋完,您就知道我開頭所述句句真言,絕無誑語.別看它又清風(fēng),又明月的.真發(fā)起來,那可是招招重手,決不留情.(您以為炎炎夏日太陽的熱情是靠熱傳導(dǎo)或熱對流招呼到您身上的嗎?再舉個更生活的例子,沒用過也看過燈管式電暖氣吧?再告訴您一個小秘密,筆者求學(xué)時就曾經(jīng)利用180瓦的工地用鹵素大燈兩個煮三人份的火鍋,不蓋你,這些都得拜熱輻射所賜!)這說完它加熱的好處,我留一點篇幅稍后再解釋它與散熱,絕熱的關(guān)系.讓我們先把焦點轉(zhuǎn)回它的原理上.有人曾問筆者,熱輻射是不是放射性的a,b,g輻射波,您說呢?那可是對任何生物都會造成傷害性的輻射線耶!不要疑心,雖不中亦不遠(yuǎn)矣,它們還真有血源關(guān)系呢,這一部份因為是筆者最喜歡的一種散熱方式,也是當(dāng)今能參透這門絕學(xué)的人少之又少(包括筆者也不是),是以筆者不得不一吐為快,交代清楚,以免讓各位越看越模糊,熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)(空氣)的情況下,不需要靠接觸,就能夠達(dá)成熱交換的傳遞方式.一種我戲稱為"熱數(shù)字訊號"(ThermalDigitalSignal)的波的形式達(dá)成熱交換.既然是波,那就會有波長,有頻率,而所謂波的能量,就是頻率乘上一個叫做普郎特的常數(shù)(Planck'sConstant),既然跟頻率有關(guān),那好,頻率的大小依次是Gamma射線,X射線,紫外線,可見光,紅外線,微波…而熱輻射能量就介于紫外線與紅外線之間,所以還算排行老三呢,但光是如此就讓你在7月中午的太陽下站不住五分鐘了吧!其實您還得感謝地球上有大氣層,空氣和水分子,這些介質(zhì)幫我們吸收掉了不少能量呢!好,咱們再回到主題,既然不需要介質(zhì),那就得靠物體與物體外表的熱吸收性與放射性來決定熱交換量的多寡.我們統(tǒng)稱為物體外表的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間,是屬于物體的外表特性,有一點兒像熱傳導(dǎo)系數(shù)(Conductivity)都屬于材料特性.(其實吸收性(率)與放射性(率)是一樣的,我稍后解釋.嚴(yán)格來說,物體外表的熱輻射特性有三種,分別是吸收率,反射率和穿透率.這三者加起來的值和為1,像是玻璃,它的能量穿透性很強(qiáng),所以相對的吸收性與反射性便較弱).讓我們看一下它的公式吧Q=e˙s˙F˙Δ(T4)Q為物體外表熱幅熱的熱交換量.我在這兒強(qiáng)調(diào)是熱交換量而不是帶走的熱量.因為公式本身牽涉到兩個外表在進(jìn)行輻射熱交換,當(dāng)假設(shè)其中一個外表不存在時,那么存在的外表便假設(shè)是與某一有限遠(yuǎn)的固定大氣溫度進(jìn)行熱交換.e物體外表的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間,是屬于物體的外表材料特性,這一局部當(dāng)物質(zhì)為金屬且外表拋光如鏡時,熱輻射系數(shù)只有約0.02~0.05而已,而當(dāng)金屬外表一但作處理后(如外表陽極處理成各種顏色亦或噴漆,那么熱輻射系數(shù)值立刻提升至0.5以上,如以下圖所示當(dāng)散熱片外表處理成綠色后,熱輻射系數(shù)值立刻由0.03提升至0.82.

處理前處理后而塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部份超過0.5以上,s是波次曼常數(shù)5.67*10-8,只是一個常數(shù).F是里面最玄的一個,洋文叫做ExchangeViewFactor,中文應(yīng)該說成是輻射熱交換的視角關(guān)系,它其實是一個函數(shù),一個跟兩個外表所呈角度,面積,及熱輻射系數(shù)有關(guān)的函數(shù).非常復(fù)雜,筆者在此不敢再寫下去,以免各位看官承受不住.Δ(T4)最后這個算是最好說的,但也最容易被一般剛?cè)虢哪贻p人弄錯的.它正確的寫法如筆者框紅線所示,是(Ta4-Tb4)而不是(Ta-Tb)4,.這其中Ta是外表a的溫度而Tb是外表b的溫度。嘿!嘿!如何.寫到這兒,如果您是屬于完全領(lǐng)悟參透型的高手,那筆者不但恭喜您,而且相信您一定也是一位玩熱的專家,假設(shè)您是屬于不知筆者所言為何物型的看官也別著急,看看下面的照片或許能加深您的印象：

IntelPentiumIV的CPU在紅外線攝影機(jī)下拍到的熱像就是那樣,金屬帽因為熱輻射系數(shù)低,相對熱輻射量就小,所以顏色溫度低,而芯片基板上外表是接近樹脂材料所以熱輻射系數(shù)較高,相對熱輻射量就大,溫度顏色就高.如此,懂了嗎?熱輻射所以熱輻射的定義是如果物體本身是一個好的輻射散熱體,那相對的它也絕對會是一個好的輻射吸熱體,這吸熱與散熱就端看物體外表本身的溫度與周圍或另外一個物體外表的溫度是高是低.假設(shè)是高,那么熱便會藉由熱輻射散出去,反之熱就會被吸收進(jìn)來.而通常在熱對流效應(yīng)相對很強(qiáng)的情況下(尤其是裝風(fēng)扇的CPUCooler),熱輻射量相對就有限,它與之前所說的熱對流散熱效應(yīng)比較起來,幾乎是可忽略的一環(huán).但是,反過來說,像部份芯片的被動式散熱片(ChipsetHeatsink),它的熱對流散熱效應(yīng)較不明顯,反而會使得熱輻射散熱效應(yīng)相對提高,有時甚至?xí)汲^30%的總散熱量.這兒之所以我們稱它散熱的原因,就是因為我們所談的散熱片都是裝附于熱源上,通常它的溫度都會比周圍環(huán)境溫度要高出許多.而至于絕熱呢?我想我也提出一些問題讓各位想一想,保溫瓶內(nèi)為什么要用絕熱體包附水銀膽呢?給您一個提示~亮面如鏡的水銀膽反射率可是非常高的喔.那像衛(wèi)星呢?沒有大氣層的水及空氣保護(hù)吸收太陽的輻射熱,不會有過熱的問題嗎?衛(wèi)星上一樣有高精密的電子組件,耶!重點就在于衛(wèi)星面向太陽的外表有一層反射率非常高的披覆層保護(hù)著,讓太陽的熱輻射量,除了太陽能板之外,幾乎全部反射回去,以減少熱輻射量的穿透跟吸收.各位聰明的看官,說到這兒,您認(rèn)為是吸熱,散熱,還是絕熱重要呢?您是否對"熱"這個現(xiàn)象已有初步的概念了呢?別著急,將來有一天你也會跟筆者一樣對它又愛又恨的呢!話又說回來,吸熱,散熱,絕熱其實各有所長,也各有其應(yīng)用于熱的時機(jī),端看您的應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)別,其實,大部份時候它們還是相互交會運(yùn)用的時機(jī)較大呢!好,我假設(shè)各位對所謂的熱傳遞形式熱傳導(dǎo)(Conduction),熱對流(Convection)，熱輻射(Radiation)都有了初步的認(rèn)識,讓我?guī)透魑徽硪幌滤季w,把焦點轉(zhuǎn)回到CPUCooler的根本架構(gòu)上,一塊一塊的剖開來定義清楚,現(xiàn)在讓我們進(jìn)入到下面的這張圖片去:(1)風(fēng)扇:熱對流組件,功能上就在于驅(qū)動空氣灌入下方的散熱片中,利用新鮮且大流量的冷空氣灌入,并加上風(fēng)扇本身驅(qū)動流場的甩動特性,提高了之前所提到過的熱對流系數(shù)值(HestTransferCoefficient).藉此提高熱對流的散熱效果.其所占散熱的比例份量最重,算是散熱界當(dāng)紅的炸子雞.(2)扣具:嚴(yán)格說,它算是機(jī)構(gòu)組件,不是散熱組件.主要是將散熱片扣合在CPU的外表上,但研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)散熱片底板與熱源接觸面受力越大,那么固體外表間的接觸熱阻抗越小,所以,扣具的研發(fā),也慢慢轉(zhuǎn)型為針對散熱片受力均勻性為重點.既然牽涉到接觸阻抗,那就牽涉到散熱片底部的吸熱能力,所以,扣具也算是半個熱傳導(dǎo)組件.(3)散熱片(鰭片部份):我們細(xì)分這個部份,它算是連接(吸熱)熱傳導(dǎo)與熱對流及熱輻射(散熱)的最重要管道,因為散熱的三大最根本條件就是"面積,面積,面積",讀者可參詳Part2與Part3的內(nèi)容公式便知,這散熱片的技術(shù)與工藝主要就在這兒,其次,外表陽極處理也是一個非常重要的工藝,它不僅僅是設(shè)計上的美觀,更牽涉到輻射熱交換量的多寡,所以,鰭片設(shè)計的好壞,直接決定了產(chǎn)品的生死.當(dāng)然各種不同的機(jī)械加工產(chǎn)品各有其設(shè)計上的考量(有的是以吸熱為主;有的是以散熱為主),但假設(shè)程度差太遠(yuǎn),那就很可惜了,筆者見到坊間不少不忍目睹的散熱器,想想,鋁條假設(shè)有知,也一定會暗自掉淚吧!(4)散熱片(底板部份):熱傳導(dǎo)組件,這兒是純粹就吸熱而言,決定底板的好壞,先要知道問題的癥結(jié)在那兒,吸熱的致命關(guān)鍵就在克服與熱源的接觸熱阻(ContactResistance)及熱傳到底板之后的擴(kuò)散熱阻(SpreadingResistance),所以,底板的設(shè)計可也是絲毫茍且不得的.殊不知所有的源頭就在于熱如何被有效的帶出來,連源頭都處理不好,更別談接下來的散熱了.看官們可以參照產(chǎn)品評估報告,互相比較,便知其中微妙.更可以加深您的印象,讓您向?qū)＜抑吩龠~進(jìn)一大步.(5)熱導(dǎo)介質(zhì):也是熱傳導(dǎo)組件,坊間有不少導(dǎo)熱膠片或?qū)岣喈a(chǎn)品,姑且不管其好壞,它的功用就在于克服金屬接觸面的微小縫隙,別小看它薄薄的一片,您假設(shè)不怕CPU冒煙的話,下次換一般黏土玩玩看,保證有趣的要命,(筆者曾測試過,那種坐云霄飛車的快感,保證讓您難忘又難過好一陣子),至于導(dǎo)熱膠片好還是導(dǎo)熱膏好,并沒有一定,但效果好是最重要的,將來筆者會針對一系列不同材料評估比較給您知道.(6)CPU:熱源,這邊假設(shè)細(xì)談會牽涉到封裝制程,要說好一陣子(包括所有的封裝演進(jìn)史與開展過程),筆者再選適當(dāng)時間表達(dá).(7)(8)Socket與主板,這兒筆者之所以要把這兩項放在一起談,就是因為散熱的考量,其實,熱源所釋放的熱,有10%以上是往下經(jīng)由Socket從主板被帶走的,告訴您一個重點,主板是一塊非常大的散熱板,筆者見過不少系統(tǒng)都有直接(或間接)針對主板強(qiáng)大的散熱能力上作文章的.這其中不止PC產(chǎn)品而已,包括液晶投影機(jī),電源供給器(不斷電系統(tǒng)),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)….都曾對主板這帖不可多得的散熱藥材下過一翻工夫.說到這兒,必須對這次的主題下一個結(jié)語了,單刀直入,散熱還是您我最關(guān)心的重點,但在還沒散到熱之前,必須解決的是吸熱的問題,至于絕熱呢,還不到時候,多想無益.往后,筆者會針對吸熱與散熱的重點(當(dāng)然是深入淺出,而且包容萬象)一五一十表達(dá),讓大家從此踏入這個領(lǐng)域,一窺這百家爭鳴的熱鬧與璀璨.坐穩(wěn)了.引擎一旦激活,您就只能睜大眼,張大嘴,豎起耳多跟著我這個導(dǎo)游一起體會這無限的熱疆界資料1散熱在普通的數(shù)字電路設(shè)計中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因為低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個芯片的功耗也逐漸變大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔騰ＣＰＵ的功耗可到達(dá)25W。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒獗頍岬尼尫?，使芯片工作在正常溫度范圍之?nèi)。

通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對流是借助流體的流動傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。

在實際應(yīng)用中，散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時使用。散熱器通過和芯片外表的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的外表使熱的輻射大大增加，同時流通的空氣也能帶走更大的熱能。風(fēng)扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器外表，另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上，提高整個空間的空氣流速。與電路計算中最根本的歐姆定律類似，散熱的計算有一個最根本的公式：

溫差=熱阻×功耗

在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片外表之間也會存在一定的熱阻。熱阻的單位為℃/W。選擇散熱器時，除了機(jī)械尺寸的考慮之外，最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。下面舉一個電路設(shè)計中熱阻的計算的例子來說明：

設(shè)計要求：芯片功耗：20瓦

芯片外表不能超過的最高溫度：85℃

環(huán)境溫度〔最高〕：55℃

計算所需散熱器的熱阻。

實際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01℃/W作為近似。那么

〔R+0.1〕×20W=85℃-55℃

得到R=1.4℃/W

只有中選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時才能保證芯片外表溫度不會超過85℃。

使用風(fēng)扇能帶走散熱器外表大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示。如下例：風(fēng)速〔英尺/秒〕

熱阻〔℃/W〕03.51002.82002.33002.04001.8散熱2我用78057810如何計算散熱片尺寸？

以7805為例說明問題。

設(shè)I=350mA，Vin=12V，那么耗散功率Pd=(12V-5V)*0.35A=2.45W

按照TO-220封裝的熱阻θJA=54℃/W，溫升是132℃，設(shè)室溫25℃，那么將會到達(dá)7805的熱保護(hù)點150℃，7805會斷開輸出。

正確的設(shè)計方法是：

首先確定最高的環(huán)境溫度，比方60℃，查出民品7805的最高結(jié)溫TJMAX=125℃，那么允許的溫升是65℃。要求的熱阻是65℃/2.45W=26℃/W。再查7805的熱阻，TO-220封裝的熱阻θJA=54℃/W，TO-3封裝〔也就是大家說的“鐵殼”〕的熱阻θJA=39℃/W，均高于要求值，都不能使用〔雖然達(dá)不到熱保護(hù)點，但是超指標(biāo)使用還是不對的〕。所以不管那種封裝都必須加散熱片，資料里講到加散熱片的時候，應(yīng)該加上4℃/W的殼到散熱片的熱阻。

計算散熱片應(yīng)該具有的熱阻也很簡單，與電阻的并聯(lián)一樣，即54//x=26，x=50℃/W。其實這個值非常大，只要是個散熱片即可滿足。

國產(chǎn)散熱器廠家其實就是把鋁型材做出來，然后把外表弄黑。熱阻這種最根本的參數(shù)他們恐怕從來就沒有聽說過。如果只考慮散熱功率芯片的輸入輸出電壓差X電流是芯片的功耗，這就是散熱片的散熱功率。散熱3熱設(shè)計由于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是100%，因此自身有一定的功耗，電源模塊本身發(fā)熱的上下，主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。在一定外殼散熱條件下，電源模塊存在一定的溫升(即殼溫與環(huán)境溫度的差異)。電源模塊外殼散熱外表積的大小直接影響溫升。對于溫升的粗略估計可以使用這樣的公式：溫升=熱阻系數(shù)′模塊功耗。熱阻系數(shù)對于涂黑紫銅的外殼P25XXX(用于SMP-1250系列產(chǎn)品的外殼)來說約為3.76°C/W。這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立，并使下方懸空1cm，自然空氣流動的情況下測試的。對于溫度較高的地方須將模塊降額使用以減小模塊的功耗，從而減小漸升，保證外殼不超過極限值。對于功率較大的模塊，須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降。不同的散熱器在自然的條件下有不同的對環(huán)境的熱阻，主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的外表積。同時考慮到空氣的對流，如果使用帶有齒的散熱器應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對流，例如：當(dāng)使用的模塊輸出功率為100W，效率為82%時，滿載時模塊的功耗為：100/0.82-100=22W，選用附件中WS75(75W)散熱器，其熱阻為1.9°C/W,不考慮原外殼的橫向散熱,自然散熱的溫升為1.9′22=42°C。散熱3包含熱模型的新型MOSFETPSPICE模型FilippoDiGiovanni,GaetanoBazzano,AntonioGrimaldi

意法半導(dǎo)體公司

StradalePrimosole,50-95121-Catania,ITALY

電郵：Email:摘要:功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來越高，發(fā)熱問題越來越嚴(yán)重，這種功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計對現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。因而熱問題的優(yōu)化設(shè)計和驗證變得比大功率器件的電模型更加重要，本文提出一種新的Pspice模型，可以利用它計算MOSFET芯片在瞬變過程中的溫度。本文提出的模型中所需要的熱阻可以從制造商提供的產(chǎn)品使用說明書得到。本文介紹MOSFET的一種新的PSPICE等效熱模型，這個模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系。這里提出的模型建立了與許可的熱環(huán)境的關(guān)系，例如，柵極驅(qū)動電路、負(fù)載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計?？梢岳眠@個模型來改善散熱器的設(shè)計。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，與生產(chǎn)制造有關(guān)，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設(shè)計往往由於無法預(yù)先知道功率損耗而無法進(jìn)行。

1.引言

散熱器在計算時會出現(xiàn)誤差，一般說來主要原因是很難精確地預(yù)先知道功率損耗，每只器件的參數(shù)參差不齊，并不是一樣的，而且在芯片上各處的溫度也是不同的。結(jié)果是，平安的裕度可能離開最優(yōu)值很遠(yuǎn)。現(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測功率損耗和熱設(shè)計的校核方面做一些改良。然而，為了確保長期可靠性，運(yùn)用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進(jìn)一步地把最高結(jié)溫〔或者最大功率損耗〕維持在一個預(yù)定的數(shù)值以下。動態(tài)負(fù)載變化所引的任何熱響應(yīng)的改變都可以直接地進(jìn)行測量，并且用閉路控制的方法來修正。

2.熱阻

發(fā)散出去的功率Pd決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動的面積以及溫度梯度，如下式所示：

Pd=K*An?dT/dx(2.1)

式中An是垂直於熱量流動方向的面積，K是熱導(dǎo)，而T是溫度?？墒沁@個公式并沒有甚麼用處，因為面積An的數(shù)值我們并不知道。對於一只半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：

Pd=?T/Rth (2.2)

以及

Rth=?T/Pd (2.3)

其中?T是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，Pd是功率損耗，而Rth是穩(wěn)態(tài)熱阻。芯片溫度的升高可以用式(2.2)所示的散熱特性來確定?？紤]到熱阻與時間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公式：

Zth(t)=Rth?[1-exp(-t/)](2.4)

其中(是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時間常數(shù)，我們也認(rèn)為"Pd"是在脈沖出現(xiàn)期間的散發(fā)出去的功率。那麼，我們可以得到：

?T(t)=Pd?Zth(t) (2.5)

如果Pd不是常數(shù)，那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示：

?T(t)=Pavg(t)?Zth(t) (2.6)

其中Pavg(t)是散發(fā)出去的平均功率。作這個假定是合情合理的，因為瞬態(tài)過程的延續(xù)時間比散熱時間常數(shù)短。由於一只MOSFET的散熱時間常數(shù)為100ms的數(shù)量級，所以一般這并不成其為問題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線”來表示圖1Zth(t)瞬態(tài)熱阻3.SPICE的實現(xiàn)

本文提出的模型使用一種不同的PSPICE模擬量行為模型〔ABM〕建模技術(shù)。事實上，利用這種建模方法，使用者可以用數(shù)學(xué)的方法建立模型，不必使用更多的資源。

可以看到，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結(jié)點的形式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來解決這個問題。

為了做到這點，把MOSFETM1表示成為一個普通的Level-3MOS模型加上一個電路。晶體管M1僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評價溫度對漏極電流的影響〔由M1我們只能夠確定在溫度“Temp”例如在27°C時，電流隨著漏極電壓的變化〕，增加了電路G1。這部份電路可以看成是電流受控制的電流產(chǎn)生器：

Id(G1)=Id(M1)?f(VGS,VDS,Tj,VTH,)(3.1)

在式(3.1)中的?數(shù)f的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以從器件的輸出特性通過內(nèi)插法很容易得到。它與M1的模型有關(guān)，因而可以建立模擬量行為模型〔ABM〕。

4.計算Tj(t)

當(dāng)大功率MOSFET工作在重復(fù)脈沖或者單脈沖的情況下，知道了平均功率損耗，然後將功率損耗乘以熱阻Zth(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻Zth(t)的數(shù)值是用電壓來表示的，使用的符號為V(Zth(t))。參看模型G2，現(xiàn)們來計算M1的瞬時功率損耗：

Pd(t)=VDSG1(t)?IDG1(t) (4.1)

其中

IDG1(t)=IdM1(t)?f(VGS,VDS,Tj,Vth,)(4.2)

在式(4.1)中，Pd(t)是“ELAPLACE”的輸入量。"ELAPLACE"起積分的作用，於是得到消耗的能量E(t)；由此可以得到平均功率損耗如下

Pave(tk)=E(tk)/tk (4.3)

Pave(tk)當(dāng)然是與時間有關(guān)的，因為這個參數(shù)

是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。因此，平均功率損耗Pave(tk)是變化的，它代表從模擬仿真開始到時刻tk這段時間的功率損耗的平均值。熱阻曲線Zth(t)可以以不同方式納入到這個模型中。我們可以把單個脈沖響應(yīng)用於Cauer或者Foster網(wǎng)絡(luò)。我們也可采用a)列表來表示，b)電壓產(chǎn)生器VPULSE，c)一種鼓勵電壓產(chǎn)生器。芯片溫度增高的平均值?Tj-c(t)決定於Pave(t)，再乘上Zth(t)。

因此Tj-c(t)可以用下式表示：

Tj-c(t)=Pave(t)?Zth(t).+Tcase (4.4)

其中Tcase取等於環(huán)境溫度。

5.模擬仿真結(jié)果及測量結(jié)果

在柵極驅(qū)動信號為不同類型的情況下進(jìn)行了模擬仿真。下面圖中的曲線是模擬仿真的結(jié)果。這些模擬仿真的結(jié)果是用新的SuperMESHTMSTP14NK50ZFP高電壓MOSFET測量得到的，MOSFET是裝在絕緣的外殼中。這種MOSFET器件是用本公司專有的MeshOverlayTM技術(shù)的經(jīng)過優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面是它的主要性參數(shù)：

BVDSSRDS(on)STP14NK50ZFP(TO-220FP)>500V<0.38在很寬的溫度范圍上進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖7示。

圖2不同溫度Tj時的輸出特性曲線(實測結(jié)果)圖3在不同的Tj時的輸出性曲線(模擬結(jié)果)圖4電路圖圖5在10V時的RDS(on)(模擬結(jié)果)

圖6在10V時的RDS(on)(實測結(jié)果)圖7在10V時的VDS(on)(模擬結(jié)果)圖8在10V時的VDS(on)〔實測結(jié)果〕圖9(從上至下)：

A)Tj隨時間的變化

B,C)漏極電流

6.結(jié)論

本文介紹了大功率MOSFET的一種新型的PSPICE電路模型，其中包含熱模型，利用這個模型，設(shè)計人員可以確定硅芯片在瞬變過程中任何給定時刻的平均溫度。這個電路包含電氣特性和熱特性之間的動態(tài)關(guān)系。唯一需要的輸入?yún)?shù)可以很容易地從制造商提供的產(chǎn)品說明書中得到。這些參數(shù)是熱阻、RDS(on)隨溫度的變化，等等。這個模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件，包括雙極型晶體管。

可以相信，這里提出的模型可以用於對器件的熱性能進(jìn)行全面的分析，從而改良它的長期可靠性。

7.致謝

本文作者借此時機(jī)感謝在Catania的MOSFET和IGBT產(chǎn)品技術(shù)和市場部的珍貴建議和支持。

參考文

1.B.J.Baliga,ModernPowerDevice.

2.Dr.P.Türkes,Dr.M.M?rz,P.Nance,SPICEModelsforSIPMOSComponentsApplicationNote.

3.JonMarkHancockSiemensMicroelectronicsAHierarchicalCross-PlatformPhysicsBasedMOSFETModelforSPICEandSABER.

5.Dr.JohnW.SofiaFundamentalsofThermalResistanceMeasurement.

6.Dr.JohnW.SofiaElectricalThermalResistanceMeasurementsforHybridsandMulti-ChipPackages.

技術(shù)交流__2003年1月30日資料5傳熱過程中的根本問題可以歸結(jié)為：

1、載熱體用量計算

2、傳熱面積計算

3、換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計4、提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。

解決這些問題，主要依靠兩個根本關(guān)系。

〔1〕熱量衡算式根據(jù)能量守恒的概念，假設(shè)忽略操作過程中的熱量損失，那么熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即Q熱=Q冷，稱為熱量衡算式。由這個關(guān)系式可以算得載熱體的用量。

〔2〕傳熱速率式換熱器在單位時間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以Q表示，其單位［W］。實踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm及傳熱面積S成正比，即：

Q=KS△tm(3-1)

S=nπdL(3-2)

式中：Q──傳熱速率，W；

S──傳熱面積，m2；

△tm──溫度差，0C；

K──傳熱系數(shù)，它說明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2·℃；

n──管數(shù)；

d──管徑，m；

L──管長，m。

假設(shè)將式〔3-1〕變換成以下形式：

Q/S=△tm/(1/K)(3-3)

式中：△tm──傳熱過程的推動力，℃

1/K──傳熱總阻力〔熱阻〕，m2·℃/W。

那么單位傳熱面積的傳熱速率正比于推動力，反比于熱阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動力和降低熱阻。

另一方面，從式〔3-1〕可知，如杲工藝上所要求的傳熱量Q己知，那么可在確定K及△tm的根底上算傳熱面積S，進(jìn)而確定換熱器的各局部尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本章主要介紹應(yīng)用這兩個根本關(guān)系解決上述四個問題。介紹的范圍以穩(wěn)定傳熱為限。所謂穩(wěn)定傳熱是指傳熱量與時間無關(guān)，即每單位時間內(nèi)的傳熱量為定值。反之，傳熱量隨著時間而變的那么是不穩(wěn)定傳熱，一般在化工連續(xù)生產(chǎn)中都屬穩(wěn)定傳熱。

就傳熱機(jī)理而言，任何熱量傳遞總是通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式進(jìn)行的。傳熱可依靠其中一種方式或幾種方式同時進(jìn)行，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動第三節(jié)傳熱計算

間壁式傳熱是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳熱方式。在絕大多數(shù)情況下，這種傳熱是大規(guī)模連續(xù)進(jìn)行的。在這過程中，不管是熱流體，還是冷流體或固體壁面，各點的溫度不隨時間而變，故屬于穩(wěn)定傳熱過程。我們主要討論穩(wěn)定過程。傳熱計算主要有兩方面內(nèi)容：一類是設(shè)計計算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核計算，即計算給定換熱器的傳熱量，流體的流量或溫度等。二者均以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計算的根底。一、熱量衡算對間壁式換熱器作能量衡算，因無外功參加，且位能和動能項均可忽略，故實際上為焓衡算。１．焓差法Q=qm,h(Hh1-Hh2)=qm,c(Hc2-Hc1)式中qm----質(zhì)量流量，kg/sH--單位質(zhì)量流體的焓，J/kg２．顯熱法３．潛熱法二、總傳熱速率方程〔一〕總傳熱速率方程如前所述，兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程：１．熱流體在流動過程中把熱量傳給管壁；２．通過管壁的熱傳導(dǎo)；３．熱量由管壁另一側(cè)傳給冷流體。〔二〕總傳熱系數(shù)〔三〕污垢熱阻三、平均溫度差一般情況下，冷，熱流體在穩(wěn)定換熱的設(shè)備內(nèi)分別在間壁兩側(cè)沿傳熱面進(jìn)行吸熱或放熱流體的溫度沿傳熱面逐漸變化。局部溫度差也是沿傳熱面而變化的。當(dāng)液體發(fā)生相變時，那么其溫度保持不變。當(dāng)兩側(cè)均為變溫時，兩流體又有順流和逆流之分。這幾種情況下溫度沿傳熱面的變化如圖５－９所示。對一側(cè)變溫或兩側(cè)變溫的情形，設(shè)冷，熱兩流體的比熱容為常數(shù)，總傳熱系數(shù)為常數(shù)，熱損失可忽略，那么在穩(wěn)定傳熱時可用以下方法計算平均溫度差。Q=KStm逆流操作與順流操作相比較，具有如下幾方面的優(yōu)點：１．加熱時，假設(shè)冷液體的初溫終溫處理量以及熱流體的初溫一定由于逆流時熱流體的終溫有可能小于冷流體的終溫，故其熱流體消耗量有可能小于順流者。冷卻時的情況相似，冷流體消耗量有可能小于順流者。２．完成同一傳熱任務(wù)。假設(shè)熱冷流體消耗量相同，由于逆流的對數(shù)平均溫差大于順流，故所需的傳熱面積必小于順流。由此可見，除個別特殊情況外，應(yīng)選擇逆流操作較為有利。至于順流操作，它主要用于加熱時必須防止溫度高于某一限定溫度，或冷卻時必須防止溫度低于某一限度的場合。在實際換熱器中，往往還伴有更復(fù)雜的情況。一種是兩液體的流動不是平行而是正交的，這種流動方式稱為錯流。第二種情形是兩流體雖作平行流動，但對一局部管子而言屬順流，對另一局部管子而言屬逆流，這種流動稱為折流。對于錯流和折流，其平均傳熱溫差可用下法求?。菏紫葘⒗錈嵋后w的進(jìn)出口溫度假定為逆流操作下的溫度，求取其對數(shù)平均溫差，然后乘以修正系數(shù)，即得平均溫度差：四．傳熱的強(qiáng)化強(qiáng)化傳熱的目的是以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力。強(qiáng)化傳熱有如下幾種途徑：1．加大傳熱面積加大傳熱面積可以增加傳熱量，但設(shè)備增大，投資和維修費(fèi)用也隨之增加。要看傳熱量的增加數(shù)值能補(bǔ)償費(fèi)用上的增加。2．增加平均溫差平均溫差愈大，自然熱流量愈大。理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的方法，但往往受客觀條件和工藝條件的限制。另外，在一定的條件下，采用逆流方法代替順流，也可提高平均溫差。3．減小傳熱阻根據(jù)熱阻的分析，一般金屬間壁的導(dǎo)熱熱阻是較小的，所以強(qiáng)化措施通常不放在此點上。但當(dāng)這項熱阻占有顯著分量時，減小壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料，顯然可以收效，重要的問題在于需要經(jīng)常保持壁面清潔。有時，防止污垢形成或經(jīng)常去除垢層成為很重要的強(qiáng)化措施。熱阻中，重要的是兩側(cè)傳熱熱阻，必須細(xì)心地考慮其強(qiáng)化措施。加大流速，提高湍動程度，減小層流內(nèi)層厚度，均有利于提高外表傳熱系數(shù)。第四節(jié)外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式用牛頓冷卻定律處理復(fù)雜的對流傳熱，實質(zhì)上是把一切復(fù)雜的影響因素均集中于外表傳熱系數(shù)。因此，對對流傳熱珠形容便轉(zhuǎn)化為對各種具體情況的外表傳熱系數(shù)的研究。一對流傳熱的準(zhǔn)數(shù)方程〔一〕影響對流傳熱的因素實驗說明，影響外表傳熱系數(shù)的因素有以下幾個方面：1．流體的種類和相變化的情況液體氣體和蒸汽都有不同的外表傳熱系數(shù)。牛頓型流體和非牛頓型流體也是這樣。流體有無相變化，對傳熱有明顯不同的影響。2．流體的流動狀態(tài)流體擾動程度愈高，層流內(nèi)層的厚度愈薄，對流傳熱系數(shù)也就愈大。3．流體流動的原因自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各局部流體的密度不同，引起流體質(zhì)點的相對位移。強(qiáng)制對流是由于如泵攪拌器等外力的作用迫使流體流動，通常強(qiáng)制對流的外表傳熱系數(shù)比自然對流的外表傳熱系數(shù)大得多。4．流體的物理性質(zhì)對外表傳熱系數(shù)影響圈套的流體物性有流體的密度粘度熱導(dǎo)率和比熱容等。流體的物理性質(zhì)不同，流體和壁面間的對流傳熱也不同。5．傳熱面的形狀大小及位置管板管束等不同形狀的傳熱面，管徑管長或板的高度，管子排列方式，水平或垂直旋轉(zhuǎn)等都影響外表傳熱系數(shù)。〔二〕量綱分析法綜上所述，影響對流傳熱的因素很多。工程上常采用的是特征數(shù)方程或稱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。它是通過實驗得到數(shù)據(jù)后，再經(jīng)理論分析整理而成的?！踩掣魈卣鲾?shù)的物理意義通過推導(dǎo)得到的特征數(shù)方程式含有四個量綱為一的數(shù)群。它們的物理意義如下：1．努塞爾數(shù)，或稱傳熱數(shù)，符號為，即：2．雷諾數(shù)，或稱流動數(shù)，即：3．普朗特數(shù)，或稱物性數(shù)，即：4．格拉曉夫數(shù)，即：在采用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式時，必須注意：應(yīng)用范圍。特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是嚴(yán)格應(yīng)用在一定范圍內(nèi)的公式，決不應(yīng)隨意推廣。定性溫度。計算特征數(shù)式中各特征數(shù)時，其所含的物性的數(shù)值應(yīng)根據(jù)訪式所指定的溫度來確定。此溫度稱為定性溫度。一般是選取對傳熱過程起主要作用的溫度人微言輕定性溫度。定性尺寸。計算特征數(shù)式中含幾何尺寸的特征數(shù)時，也是其指定的固定邊界的某一尺寸，稱為定性尺寸。定性尺寸一般也是選取對流體流動和傳熱有決定影響的固體外表尺寸。例如管內(nèi)流動傳熱用內(nèi)徑，管外對流傳熱用外徑，套管間隙內(nèi)的傳熱用當(dāng)量直徑等。二流體無相變時的對流外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式〔一〕流體在管內(nèi)強(qiáng)制〔二〕流體在管外強(qiáng)制對流〔三〕自然對流外表傳熱系數(shù)三流體有相變時的外表傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式沸騰和冷凝時的傳熱發(fā)生有相變的傳熱。在沸騰和冷凝時必然伴隨著流體的流動，故沸騰和冷凝傳熱同樣發(fā)生對流傳熱?！惨弧痴羝淠龝r的對流傳熱1．蒸汽冷凝方式蒸汽與低于其飽和溫度的壁面相接觸，即冷凝成液體附著于壁面上，并放出冷凝潛熱。蒸汽在壁面上冷凝可分滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種情況。〔二〕液體沸騰時的對流傳熱液體沸騰的主要特征是汽泡的形成及其運(yùn)動。1．液體沸騰的過程根據(jù)傳熱溫度的變化，液體沸騰傳熱過程要經(jīng)歷如下四個階段：①自然對流階段②泡核沸騰階段③膜狀沸騰階段④穩(wěn)定膜狀沸騰。2．影響沸騰傳熱的因素液體沸騰傳熱的上述各階段中，泡核沸騰在工業(yè)上具有重要的意義。泡核沸騰的主要特點是汽泡在加熱面上形成和開展，并脫離外表而作上升運(yùn)動。因此，但凡影響汽泡生成強(qiáng)度的因素，均能影響沸騰外表傳熱系數(shù)3．液體沸騰外表傳熱系數(shù)資料6科友熱傳技術(shù)理想中的散熱這是各材料間熱傳導(dǎo)能力的比較圖表設(shè)計散熱器的根本概念，可以精簡成一個數(shù)學(xué)方程式，它代表了排除外界因素后，兩個導(dǎo)體間的熱能對流：Iw=??x(T1-T2)x(I/A)我們一個個簡單說明吧：Iw代表兩個不同物體〔材料〕間，假設(shè)有溫度上的差異〔T1與T2〕存在時的熱能對流量。I代表兩的物體間的距離，而A那么代表外表積。Gamma代表的是熱傳導(dǎo)系數(shù)。大致看一下這個方程式，您就會了解理想中的散熱器設(shè)計應(yīng)該要有怎樣的品質(zhì)了。溫度差距〔T1-T2〕是造成熱對流的因素，另外它也會大大的被材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)〔gamma〕以及散熱外表積所影響。我想這些應(yīng)該充分說明了根本的概念了吧？[風(fēng)冷散熱器]

對于現(xiàn)在的電腦產(chǎn)品而言，無論是預(yù)算上看，還是從實際散熱效果上看，風(fēng)冷散熱是最好的方式。

(1)影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的五大要素

A．散熱風(fēng)扇

B．散熱片

C．導(dǎo)熱介質(zhì)

D．扣具

E．環(huán)境〔溫度〕

(2)影響風(fēng)扇性能確實定工程

A．風(fēng)量

B．風(fēng)壓

C．轉(zhuǎn)速

(3)影響散熱片性能確實定工程

A．導(dǎo)熱系數(shù)

B．受風(fēng)面積

(4)影響導(dǎo)熱介質(zhì)性能確實定工程

A．導(dǎo)熱系數(shù)

B．熱阻

C．填充能力

(5)影響扣具性能確實定工程

A．應(yīng)力分布與大小

B．重心位置

(6)風(fēng)冷散熱原理

從熱力學(xué)的角度來看，物體的吸熱、放熱是相對的，但凡有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處，這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象。而熱傳遞的方式有三種：輻射、對流、傳導(dǎo)，其中以熱傳導(dǎo)為最快。

熱源〔CPU或其它部件〕將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱介質(zhì)，再由導(dǎo)熱介質(zhì)傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對流，將熱量散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣，流出熱空氣，完成熱的散熱過程。

[風(fēng)冷散熱器的熱計算]計算公式

A.傳熱量

B.散熱量

C.熱阻說明

Q1：傳熱量

K：傳熱系數(shù)

△T1：平均傳熱溫差

Q2：散熱量〔單位：W〕

G：散熱氣流量〔單位：kg/s〕

Cp：比定壓熱容〔單位：kJ/kg·℃〕

qv：需求風(fēng)量〔單位：m3/min〕

ρ：氣流密度〔單位：kg/m3〕

△T2：氣流溫差〔單位：℃〕

R1：散熱片與環(huán)境熱阻〔單位：℃/W〕資料7

揭開散熱鰭片的神秘面紗：根底熱學(xué)時間：11/17/20029:44:03PM

來源：蜂鳥工作室

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1、序論：隨著電腦中央處理器的時脈不斷成長，中央處理器產(chǎn)生的熱量也越來越驚人，古早的中央處理器不需要散熱片，而現(xiàn)今的產(chǎn)品則是不安裝散熱片可能會燒毀，臺灣被稱為資訊硬體的製造王國，電腦的DIY風(fēng)氣極為盛行，而電腦硬體的超頻也跟著大行其道，為了將中央處理器的時脈能夠跑的更高，廠商跟著不斷的推出各式各樣的散熱器，網(wǎng)路上千奇百怪的超頻理論紛紛出籠，在本文中不討論如何進(jìn)行超頻，而是針對目前市面上最常見的鰭片結(jié)構(gòu)之空冷散熱器，嘗試以經(jīng)過學(xué)術(shù)驗證的流體力學(xué)和熱傳學(xué)理論，來探討其設(shè)計與性能之優(yōu)劣，並希望能夠提供讀者一些正確的觀念，並導(dǎo)正一些常見的散熱謬論。致謝:感謝sarion先生在文字、文意上的斟酌與校稿2、理論基礎(chǔ)：所有物體的熱傳可以分成三種：熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。一般而言，熱輻射出去的能量太小，所以可以忽略不計。因此在散熱鰭片裡，最重要的兩個熱傳機(jī)制就是熱傳導(dǎo)及熱對流。在一般電腦的散熱裝置裡，熱傳導(dǎo)的重要性並不亞於熱對流，因為這是能否將晶片產(chǎn)生的能量傳送到鰭片的重要因素，但是想要降低溫度，熱對流就佔有很大的影響要素。因為能量是由流體靠著對流的現(xiàn)象[無論是強(qiáng)制對流或是自然對流]，把晶片產(chǎn)生的能量給帶走。3、比熱及熱傳導(dǎo)係數(shù)：比熱跟熱傳導(dǎo)係數(shù)這是兩種不同的量值，但是很多人卻將他們給搞混了。比熱的定義為：單位質(zhì)量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度K()，而熱傳導(dǎo)係數(shù)的定義為：每單位長度、每度K，可以傳送多少瓦數(shù)的能量()。簡單說來，比熱的定義是指出整體內(nèi)能的變化，但是熱傳導(dǎo)係數(shù)卻是傳送能量的能力。?？吹侥承┯搀w測試文章的作者，在文章中提到：「某材料吸熱快散熱慢，所以如何如何」，筆者看到"吸熱快散熱慢"這六個字實在大惑不解，翻遍了手上有的HeatTransfer書籍，甚至是JournalofHeatTransfer、JournalofHeatandMassTransfer等期刊也沒有看過類似的理論。抱持吸熱快散熱慢理論的硬體測試文章作者，多是觀察了幾個散熱器的溫度升降狀態(tài)就做出某某材料會吸熱快散熱慢的推論，殊不知吸熱快散熱慢最多只能用來描述某散熱片在某特定時間下的狀態(tài)，但是將吸熱快散熱慢當(dāng)成是某種材料的特性，那就犯了常見以特例論證通則的邏輯謬誤。由最根本的能量守恆觀念來看，一個系統(tǒng)如果吸熱快散熱慢，這表示在單位時間內(nèi)進(jìn)入此系統(tǒng)的熱能一直大於離開此系統(tǒng)的熱能，此系統(tǒng)內(nèi)的熱能將不斷的增加，系統(tǒng)溫度就會上升，如果吸熱快散熱慢是這個系統(tǒng)的特性的話，這個系統(tǒng)會出現(xiàn)溫度不斷上升，直到整個系統(tǒng)無法負(fù)荷更多熱能而整個燒毀的狀況。但是事實不會出現(xiàn)這樣的狀況，因為吸/散熱快慢跟熱傳導(dǎo)係數(shù)、熱對流係數(shù)及溫度梯度有關(guān)聯(lián)，吸/散熱快慢是不斷在變化的，沒有一個系統(tǒng)會有吸熱快散熱慢的特性，假設(shè)一個系統(tǒng)A原本處於向系統(tǒng)B吸取熱快，將熱散到系統(tǒng)C慢的情況下，系統(tǒng)A溫度會不斷的上升，如此A與B間溫度梯度變小，吸熱就會變慢，A與C間溫度梯度則變大，散熱就會變快，因此系統(tǒng)A會由吸熱快散熱慢的狀態(tài)逐漸變成吸/散熱速度相等的狀態(tài)，一直到穩(wěn)態(tài)時就會變成吸散熱速度相等，系統(tǒng)A的溫度不會變化。4、長條型鰭片和圓柱型鰭片：在散熱器本身的熱傳裡，有這一個相當(dāng)重要的因素：流體流動。而長條型鰭片跟圓柱型鰭片的差距，就是流體的流動。在圓柱型鰭片周圍，因為流體的阻力較小，流體容易流動，也因此容易帶走在圓柱的能量，加強(qiáng)了對流的效果，因此在相同面積的散熱鰭片裡，圓柱型鰭片都會比長條型鰭片有著更好的熱傳效果。這一方面的應(yīng)用實例如：SwiftechMC462。圓柱型鰭片：SwiftechMC462長條型鰭片：流體在鰭片周圍的流動性對於散熱可以說是有著很大的影響，越好流動的鰭片設(shè)計越能得到較高的熱傳能力[相同面積]，這也就代表著鰭片的排列方式，外型對於熱傳有著頗大的差異性。5、散熱器底座厚薄?熱阻的概念：散熱器底座對於熱傳是否有影響?有很多人會人為沒有。其實這是因為現(xiàn)階段鰭片使用的金屬的熱傳導(dǎo)係數(shù)較高(鋁、銅)，外加厚度不明顯，所以影響不容易看出來。有興趣的人可以做一個實驗，拿一塊鐵塊，高度1公尺，然後在鐵塊周圍用乾毛巾包起來，然後上層再用一散熱鰭片來作散熱。如此一開機(jī)，筆者幾乎可以保證，不需要太久就會當(dāng)機(jī)了。為什麼?因為鐵塊的熱傳導(dǎo)係數(shù)雖然也頗高，但是在鐵塊內(nèi)部還是會有溫度梯度的存在。雖然鐵塊內(nèi)部可以容納頗多的能量，但是上層的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度，使得熱逸散的能力近乎沒有，而底部的晶片一直在傳送能量給鐵塊，導(dǎo)致兩端的溫差越來越大，終於突破晶片可以忍受的最高溫度而導(dǎo)致當(dāng)機(jī)。而這塊鐵塊就是熱阻。當(dāng)然也可以把這鐵塊換成寶麗龍，或是空氣，這當(dāng)機(jī)的速度就會越明顯。講到這邊筆者想就會有很多人可以舉一反三，了解扣具的用意在哪了?？劬卟恢皇菍Ⅵ捚潭ㄔ诰厦妫淖饔靡彩墙档蜔嶙?。熱阻跟壓力也成逆相關(guān)。壓力越大熱阻越小。那壓力越大不就越好?假設(shè)晶片可以承受，那就很完美，但是這世界卻不是這樣完美的。因此就有人在晶片跟鰭片之間塗抹散熱膏來填補(bǔ)晶片跟鰭片之間的空隙，降低熱阻。當(dāng)然，如果晶片跟鰭片兩接觸平面是完美的平面，那熱阻可以說是沒有，也因為世界的不完美，所以無法達(dá)成完美的接觸平面，所以就有人會特地替鰭片作提高平面度的工作。這些都是為了讓熱阻降低，增加晶片跟鰭片之間的熱傳。不過，筆者建議不要太過火了，因為這項工作只達(dá)成了熱傳導(dǎo)，卻達(dá)不成熱逸散。但這邊卻有一特殊的應(yīng)用：銅底。為什麼要在鰭片底部加一薄銅片?原因很簡單，因為銅的熱傳導(dǎo)係數(shù)比鋁高，所以可以更均勻的將能量傳送到鋁鰭片的四周外圍鰭片。這是因為鋁本身的熱傳導(dǎo)係數(shù)不是無限大，所以在鋁鰭片裡面會有溫度梯度的存在：中心溫度較高，四周溫度較低。然而熱傳的一個重要因素就是溫度梯度，如此一來雖然中心有著較高的熱傳效果，但是鰭片四周卻比中心的熱傳效果差，導(dǎo)致整體熱傳效果的減低。因此使用銅片來解決這溫度梯度的不均勻問題。雖然銅片增加了熱阻，但是增加了一點點的熱阻卻大大加強(qiáng)了整體鰭片的溫度均勻分布，可以說得多於失。除了銅底，也有人使用銅柱﹙ex：下圖的ARKUA7528﹚，當(dāng)然這也是相同的原理。但是使用銅柱時，對於氣流的處理必須更加注意，不然軸流風(fēng)機(jī)的氣流一出來馬上就被銅柱給擋回去，形成迴流造成能量的損耗。

6、高頻噪音：風(fēng)速對熱傳的影響筆者認(rèn)為大局部的人都知道風(fēng)速越大，熱傳效果越好。理論上如此，實際上也如此[考慮直接吹入晶片的進(jìn)氣方式，不考慮其他方式，因為其他方式不一定會有比較好的結(jié)果，這還得考慮迴流區(qū)對於鰭片的影響]。因為風(fēng)速越高，熱對流效應(yīng)越強(qiáng)烈。但是這有幾個問題，是否一定只有高風(fēng)速才會對熱傳有絕對性的影響?是否只有高頻噪音才會帶來高風(fēng)量?風(fēng)量是不是可以毫無限制的提高?的確，風(fēng)速對於熱傳的影響可以說接近絕對：在一定的速度之下。為什麼?大家想想太空梭的隔熱磚就知道了。當(dāng)流體磨擦所損耗的能量大於所能帶走的能量之後，那麼就會見到鰭片溫度越來越高，甚至融化。不過這種終極的速度已經(jīng)在音速以上了[以空氣而言，其他流體不一定]。這也就是說可以不用考慮這樣的影響。如果，能以其他比空氣黏滯性係數(shù)還低的氣體來當(dāng)作進(jìn)氣，那麼就能以較低的風(fēng)速得到一個一樣的散熱結(jié)果。此外，改變氣體密度，渠道[假設(shè)CPU散熱裝置為一矩形渠道]寬度也能得到一樣的結(jié)果。歸納這些考慮因素，可以得到一個無因次化[就是把所有的質(zhì)量、長度、時間等因次項給消掉的純量值]參數(shù)：Reynoldsnumber(Re)。這就是影響熱傳最主要的因素。一般廠商都是直接增加Reynoldsnumber來改善熱傳，因為這最簡單，最不需要花時間設(shè)計鰭片。[Ex:冰天X地]那是否只有高頻噪音才能帶來高風(fēng)量?這答案一定是否認(rèn)的。大家想想，電風(fēng)扇的風(fēng)量夠大吧?那種掛在天花板的大風(fēng)機(jī)風(fēng)量也很足夠，但是轉(zhuǎn)速就是很慢。這就是作用面積的影響。假設(shè)使用一個類似漏斗的東西，將大風(fēng)扇的風(fēng)收集轉(zhuǎn)成小面積吹入鰭片裡，如此一來不但能降低噪音，也能得到足夠或是更高的風(fēng)量，而這就是大轉(zhuǎn)小風(fēng)罩的原理：因為流量是跟面積和速度成正比。還有一個問題就是風(fēng)速是否能毫無限制的增加?假設(shè)風(fēng)扇不變大，單純使用軸流風(fēng)扇的情況下，筆者可以說這是不可能的。這就得考慮到另外一個觀念：邊界層分離。什麼是邊界層分離現(xiàn)象?筆者想大家都有看過在河流裡面的樹枝，當(dāng)水流流速達(dá)到一定程度時，樹枝的後半外表會開始形成一個渦流的現(xiàn)象[不是背後，是外表]，而這個現(xiàn)象就是邊界層分離。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時，空氣也會在葉片外表形成此現(xiàn)象，當(dāng)此現(xiàn)象越來越嚴(yán)重時，就會產(chǎn)生失速的現(xiàn)象，這也就是說風(fēng)扇再怎樣輸入能量得到更高的轉(zhuǎn)動都不能得到更高的風(fēng)量，甚至?xí)玫椒葱Ч?。這也就是說不改變鰭片外型，鰭片的熱傳能力是有上限的。7、鰭片長度的影響?鰭片效率的概念：鰭片是否越長越好?理論上是，但是必須考慮到他的效率問題。因為這跟本錢有很大的關(guān)聯(lián)。然而要如何考慮鰭片效率?這方面的數(shù)學(xué)型式頗重，這篇不是學(xué)術(shù)性的報告，所以筆者只指出他的相關(guān)性參數(shù)：熱對流係數(shù)、鰭片長度、整體面積、熱傳導(dǎo)係數(shù)，周長。因為數(shù)學(xué)模式並不簡單，所以筆者並不想詳細(xì)介紹。一般說來長度越長，鰭片效率越差，熱傳導(dǎo)係數(shù)越高，鰭片效率越好。這也就是說使用銅做成的鰭片會比同造型的鋁鰭片有著更好的效率，面積越大的鰭片也會有較好的鰭片效率。8、熱傳的原罪：熱邊界層的概念：什麼是熱邊界層?簡單的說，就是流體在物體外表產(chǎn)生對流效應(yīng)時，因為流體的熱傳導(dǎo)係數(shù)很差，接觸物體外表的流體無法順利的將能量傳送給上層的流體，所以流體和物體外表作用出一層溫度較其他流體高的流體，而這層流體就稱作熱邊界層。因為這層流體因為溫度較高，阻礙了較冷流體和物體外表的對流，降低了熱傳的效果。這代表什麼意思呢?筆者想用抽風(fēng)跟吹風(fēng)的差別會比較容易瞭解他的內(nèi)涵：為了增強(qiáng)鰭片的散熱效果，建議將最低溫的流體直接流入最高溫的鰭片上。因為熱邊界層的成長，會導(dǎo)致熱傳效果的降低，如果將最低溫的流體流進(jìn)最低溫的鰭片上，這樣就會導(dǎo)致流體流到在最高溫鰭片底部，因為熱邊界層的影響而阻隔了較低溫流體跟高溫鰭片的熱交換，進(jìn)而降低了熱傳的效果。9、實戰(zhàn)篇：在眾多的鰭片中，要如何選購一顆可以勝任高發(fā)熱晶片的散熱裝置呢?其實，這並不難，只要使用熱傳學(xué)的觀點來看，好與不好幾乎一眼就可以看穿了。首先，拿到一顆鰭片，我們必須先考慮流體在鰭片內(nèi)部好不好流動?光這一點就可以幾乎剔除了現(xiàn)階段市面上可以看到的所有鰭片了。因為密密麻麻的矩形條狀鰭片跟放射性鰭片，甚至是圓柱型鰭片相比，流體在矩形條狀鰭片裡的流動性實在是太差，所以只好瘋狂的增加風(fēng)量，增加面積來解決這問題。再來，考慮材質(zhì)，因為這對於鰭片的效率有著相當(dāng)高程度的影響，這也是為什麼在高發(fā)熱晶片的世界裡，鋁製鰭片越來越難存活的原因?？紤]鰭片外表的光滑性，粗操的外表可以得到較好的效果，考慮風(fēng)扇的風(fēng)量，使用高風(fēng)量的鰭片會有著較好的散熱效果?？紤]整體溫度的均勻性，假設(shè)銅鰭片底部加裝銀底如同鋁鰭片底部加裝銅底一般，這樣也會有較好的效果。此外，假設(shè)鰭片上方有風(fēng)罩的設(shè)計，這對於散熱是有幫助的，氣體的流動方向，一般而言，抽出氣體的方式會比吹入氣體的方式有著較佳的散熱效果。但是一使用抽出氣體的方式來散熱，氣體的流動性會變得相當(dāng)重要，因為抽出氣體會使得鰭片周圍變成負(fù)壓區(qū)，但是負(fù)壓區(qū)很小，造成能流體有在流動的區(qū)域也相對的變小，假設(shè)沒有控制好流體的流動，會導(dǎo)致底部的高溫區(qū)域得不到氣體的流動，這樣是得不償失的。ex：採風(fēng)罩設(shè)計的散熱器：10、結(jié)論：寫了這篇，只是希望大家能得到較正確的熱傳觀念，不要被沒受過正統(tǒng)的熱流教育，滿腦子只有想像的幾位硬體文章作家所誤導(dǎo)。流體力學(xué)跟熱傳學(xué)的世界裡，經(jīng)驗常常是會出差錯的，因為他們只能看到外表，卻看不到其中所內(nèi)涵的道理。這就像是大家看到鳥揮動翅膀就可飛行，但是自己怎樣的揮動翅膀就是飛不起來一樣。因為他們只看到外表，卻沒看到鳥類為了飛行所達(dá)成的演進(jìn)，及其中流體的流動，利用上升氣流的幫助等力學(xué)原理。此外筆者省略了熱管及層流、紊流對於熱傳上的影響及其不同，熱管是因為筆者接觸的不多，怕產(chǎn)生誤導(dǎo)而省略，層流及紊流是因為內(nèi)涵的數(shù)學(xué)觀念更多，講下去睡著的人可能有一大半了。11、參考書籍：1.BruceR.Munson,DonaldF.Young,'FundamentalsofFluidMechanics',2ndedition,JohnWiley&Sons,NewYork,1994.

2.FrankP.Incropera,DavidP.Dewitt,'FundamentalsofHeatandMassTransfer'4thedition,JohnWiley&Sons,NewYork,1996.

3.A.F.Mills,'HeatTransfer',2ndedition,PrenticeHall,1999.

4.CengelBoles,'Thermodynamics'3rdedition,McGraw-Hill,1998.資料8高速電路設(shè)計中的散熱考慮

在普通的數(shù)字電路設(shè)計中，我們很少考慮到集成電路的散熱，因為低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散熱條件下，芯片的溫升不會太大。隨著芯片速率的不斷提高，單個芯片的功耗也逐漸變大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔騰ＣＰＵ的功耗可到達(dá)25W。當(dāng)自然條件的散熱已經(jīng)不能使芯片的溫升控制在要求的指標(biāo)之下時，就需要使用適當(dāng)?shù)纳岽胧﹣砑涌煨酒獗頍岬尼尫?，使芯片工作在正常溫度范圍之?nèi)。

通常條件下，熱量的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞，對流是借助流體的流動傳遞熱量，而輻射無需借助任何媒介，是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量。

在實際應(yīng)用中，散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時使用。散熱器通過和芯片外表的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的外表使熱的輻射大大增加，同時流通的空氣也能帶走更大的熱能。風(fēng)扇的使用也分為兩種形式，一種是直接安裝在散熱器外表，另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上，提高整個空間的空氣流速。與電路計算中最根本的歐姆定律類似，散熱的計算有一個最根本的公式：

溫差=熱阻×功耗

在使用散熱器的情況下，散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻，散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表，這樣熱流由散熱器流向空氣時由于熱阻的存在，在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差，就像電流流過電阻會產(chǎn)生電壓降一樣。同樣，散熱器與芯片外表之間也會存在一定的熱阻。熱阻的單位為℃/W。選擇散熱器時，除了機(jī)械尺寸的考慮之外，最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻。熱阻越小，散熱器的散熱能力越強(qiáng)。下面舉一個電路設(shè)計中熱阻的計算的例子來說明：設(shè)計要求：芯片功耗：20瓦

芯片外表不能超過的最高溫度：85℃

環(huán)境溫度〔最高〕：55℃

計算所需散熱器的熱阻。

實際散熱器與芯片之間的熱阻很小，取01℃/W作為近似。那么

〔R+0.1〕×20W=85℃-55℃

得到R=1.4℃/W

只有中選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時才能保證芯片外表溫度不會超過85℃。使用風(fēng)扇能帶走散熱器外表大量的熱量，降低散熱器與空氣的溫差，使散熱器與空氣之間的熱阻減小。因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示。如下例：

風(fēng)速〔英尺/秒〕熱阻〔℃/W〕

0

3.5

1002.8

2002.3

3002.0

4001.8資料鋁-銅復(fù)合底散熱器特征及應(yīng)用

目前隨著計算機(jī)的更新?lián)Q代，CPU散熱問題日益突出，現(xiàn)在使用的鋁散熱器的散熱效率已不能滿足需要。銅的散熱性高于鋁，但純銅散熱器重量大，而且形狀復(fù)雜的鰭片制造困難,本錢高。由于鋁的材質(zhì)軟，擠塑成型的生產(chǎn)效率高，且純鋁散熱器重量輕，材料費(fèi)低，如能把一定厚度的銅板與鋁散熱器的底平面實現(xiàn)焊接，利用銅的快速傳熱性能〔銅的導(dǎo)熱系數(shù)為鋁的4倍〕就可以大大提高散熱器的散熱效果。現(xiàn)在己經(jīng)有采用粘接的方法把銅板粘貼在鋁散熱器底面上，成為鋁銅復(fù)合底散熱器，使散熱器的散熱效果有所提高，但所用的粘貼介質(zhì)是非金屬材料，由于這層介質(zhì)的存在，降低了銅鋁間的傳熱性能；目前市場上還有應(yīng)用壓扣銅板的方法來提高鋁散熱器的性能,工藝簡單，本錢低，但銅-鋁接觸面積不穩(wěn)定，而且由于銅和鋁外表有氧化膜,對傳熱不利；還有鑄銅復(fù)合的鋁散熱器，也可提高散熱器的性能，但制造本錢高，工藝復(fù)雜。

應(yīng)用爆炸焊接技術(shù)可以實現(xiàn)銅鋁間的無介質(zhì)連接，而且有結(jié)合強(qiáng)度高，在熱處理、機(jī)加工等條件下能確保復(fù)合層不別離的突出優(yōu)點。我經(jīng)過一年的研究和實驗，研制出多種規(guī)格的復(fù)合底散熱器，銅層厚度為1-5mm，經(jīng)過初步傳熱性能實驗，研制成功了鋁銅復(fù)合底散熱器，是應(yīng)用爆炸焊接技術(shù)，將一定厚度的銅板焊接在成型的鋁散熱器底平面上，爆炸焊接后，我們對爆炸復(fù)合的散熱器性能進(jìn)行了計算和實驗，發(fā)現(xiàn)它的銅層厚度、散熱器結(jié)構(gòu)和形狀對散熱性能有不同的影響，實驗中，我們采用爆炸復(fù)合3mm厚銅層與扣壓銅板兩種散熱器進(jìn)行比較，爆炸復(fù)合散熱器比扣壓方式的散熱器，在同一環(huán)境溫度、運(yùn)行同一程序和時間等條件下，可降低攝氏5度。

二、爆炸焊接的特點：

爆炸焊接，亦稱為爆炸復(fù)合，是一種特殊的焊接技術(shù)。它是采用炸藥為能源，利用爆炸作用推動兩個或多個金屬體產(chǎn)生高速碰撞來實現(xiàn)焊接的。爆炸焊接的最大特點是能將常規(guī)方法無法焊接的兩種金屬材料牢固地焊接在一起。眾所周知，鋁與鋼、鋁與銅、銅與鋼、鈦與鋼等金屬之間的可焊接性很差，常規(guī)方法焊接困難，即使采用一些特殊的工藝將之焊接在一起，其焊接質(zhì)量也往往難于保證。而采用爆炸焊接做到這一點卻很容易，而且結(jié)合界面處的抗拉強(qiáng)度通常大于母材強(qiáng)度，焊接界面保持一定的韌性，界面沒有任何中間介質(zhì)，這些優(yōu)點是其它方法無法比較的。

三、散熱器性能的實驗測試

實驗1

CPU

COOLER

熱阻測試報告

散熱器型號EC0166〔FAN

6015〕復(fù)合2mm銅板轉(zhuǎn)

速4300RPM

風(fēng)

量18.6CFM風(fēng)

壓3.16mmAq

CPUATHLON

XP

1800+功耗(TDP)66W

機(jī)

箱標(biāo)準(zhǔn)

ATX

機(jī)箱系統(tǒng)風(fēng)扇否

測試環(huán)境恒溫恒濕箱

(35Co)溫度測試儀器Agilent

34970A

操作系統(tǒng)窗口

98SE使用軟件KPOWER

Ta44.1

CoTc84.87

C

測試時間1HRca(c/w)0.61772

散熱片：爆炸銅-鋁復(fù)合散熱器，銅厚度2.0MM

散熱器長：60MM

中間刨一6.5MM溝放扣具

，測試結(jié)果中熱阻偏大與風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓有關(guān)。再有，散熱片齒不夠多外表積太小也是影響熱阻的因素，另外：CPU面積太小只有11.2*11.8

實驗3

CPU

COOLER

熱阻測試報告

散熱器型號EC0166〔FAN

6015〕銅板加扣具轉(zhuǎn)

速4300RPM

風(fēng)

量18.6CFM風(fēng)

壓3.16mmAq

CPUATHLON

XP

1800+功耗(TDP)66W

機(jī)

箱標(biāo)準(zhǔn)

ATX

機(jī)箱系統(tǒng)風(fēng)扇否

測試環(huán)境恒溫恒濕箱

(35Co)溫度測試儀器Agilent

34970A

操作系統(tǒng)WINDOWS

98SE使用軟件KPOWER

Ta44.37CºTc89.53

Cº

測試時間1H05MINRca(c/w)0.684

純鋁散熱片：鋁擠型與其