经典散热原理

散热器概念及介绍shiyan2012/07/241.散热目的随着电子科技的发展及芯片制程的提升,电子组件的效能相对提高芯片越做越小,而单位体积所发出的热量亦越来越多,为了维持其正常的工作状态,热交换的动作也就相当的重要,加装于热源的上方的散热片是为了帮忙体积电路消散动作时所产生的热,以提高工作效率热传现象热是一种自较暖物体流至较冷物体的称为热的看不到流体。温度差为热传递的驱动力,温度差越大,热传率越高热传原理热量是如何由温度高的地方传到温度低的地方?有三种主要传递方式而任何热交换均是由其中之一或者综合型态呈现。1.传导(Conduction)2.对流(Convection)3.辐射(Radiation)热传原理传导(Conduction):藉由邻近分子或自由电子的热运动程度之不同而传递热的方式含较高之能量分子会透过碰撞转动振动等方式将能量转予较冷的分子热传导公式可用Fourier定律来表示热通量与温差变化成正比Q=K‧A‧(dT/dx)Q:传递热量(W)K:ThermalConductivityW/m-KA:ContactArea(m2)dT/dx:是物体沿L方向的温度梯度，即温度变化率(K/m)热传原理MaterialThermalconductivity(W/mK)*MaterialThermalconductivity(W/mK)*Diamond1000Brick,red0.6Silver406Waterat20°C0.6Copper385Brick,insulating0.15Gold314Wood0.12-0.04Aluminum205Asbestos0.08Brass109Corkboard0.04Iron79.5Fiberglass0.04Steel50.2Rockwool0.04Lead34.7Woolfelt0.04Mercury8.3Polystyrene(styrofoam)0.033Ice1.6Airat0°C0.024Concrete0.8Polyurethane0.02Glass,ordinary0.8Silicaaerogel0.003热传导K值越大表示传热能力越强热传原理对流(Convection):藉由液体或气体的移动来传递热量的方式，牛顿冷却定律(Newton’slawofcooling)通过物体表面之热传率为：Q=h‧A‧(Ts-Tfl)Q:传递热量(W)h:CoefficientW/(m2‧K)A:ContactArea(m2)Ts:WallTemperature(K)Tfl:FlowTemperature(K)Q/A热传原理对流常数:一般与流体的型态速度有关对流型态描述H值范围(W/m2K)自然对流因密度差异所导致10(gas)100(liquid)强制对流由风扇或者外在物体驱动100(gas)1000(liquid)沸腾相变化液体变成气体20,000冷凝相变化由气体变成液体20,000热传原理辐射(Radiation):不藉任何物体作媒介，将热直接由热源传至他处的热传导方式)(42411TTAq式中：q=热传导速率(单位：W)=辐射率或黑度(emissivity)=斯蒂芬－波尔兹曼常数(约为5.67×10-8W/m2·K4)A1=辐射面1的面积(单位：m2)T1=辐射面1的绝对温度(单位：℃)T2=辐射面2的绝对温度(单位：℃)q2两表面间的净辐射热交换表面温度T2表面温度T1q1HeatSinkDesignCriteria功率(Power)系统接受的△T系统接受的噪音-Fannoise可利用的：-FanHousingVolume-FinVolume风扇的选择热管的选择界面热阻材料的选择环境RemoteHeatExchanger(RHE)•好RHE架构可满足高冷却性能，在成本和制程上满足最佳.•Keystosuccess-minimizethermalresistanceθjunction-ambient-maximizeairflowand∆Toutlet-inletJunctionBlockHp1Hp2FinAmbientΘj-bΘb-hp1Θhp1-hp2Θhp1-finΘfin-amb※任何一段热阻都是最大的冷却能力表现(Thermalnetwork)评估方案性能数据试验校验理清散热要求（即各发热组件的规格）设计散热方案分析方法估计所产生的热量可接受的热阻可接受的设计空间估计底部散热估计散热面积估计风扇引起的流速检查结构，生产方法等细化散热方案校验散热系统制定散热系统规格检验修改散热方案OK散热设计的流程模拟分析设计典型案例:平台:Calpalla14'cpu35wvga:25w平台:Calpalla14'cpu35w平台:Cooler平台:医疗器平台:室外发射器平台:AIO一体机平台:上网本主动式散热器零件介绍界面材料--TIM1-1-1TIM操作原理热传导系数:铜(385W/m℃)水(0.556W/m℃)空气(0.024W/m℃)1-1-2TIM类型和常用型号焊接材料a.锡膏焊接回流曲线图:预热预热的最大倾斜被限制到2℃/sec,这样有利于助焊剂的润滑清洁作用;产品加热:预先加热设置从100℃通常被计算到与在70-120秒之间,典型的时间设置的熔点根据回焊炉内的产品体积的大小回流:回流温度设定比熔点高出30℃进行焊接熔点时间最为重要,直接影响到焊剂与周边焊接的面积,回流时间控制在20-40S;冷却冷却的最大倾斜被限制到4℃/sec。导热胶Dow-Corning:4450Typicalproperties粘合条件:30minutes@150℃导热系数:1.97W/(mK)Shearstrengthafter30m@150℃:3.65Kgf/mm2乐泰Loctite:3873Typicalproperties粘合条件:Ambient,大于20℃导热系数:1.25W/(mK)Shearstrengthafter24H@22℃:1.2Kgf/mm2铜块--ThermalBlock1-2-1材料:C1100,A10501-2-2制程:冲压1-2-3材料厚度:0.8,1.0,1.5,2.0,2.5mm1-2-4Outlinedimensionrecommendfor35Wisabove20*20mm配件，贴件：材料有：MYLAR;GASKET功能：绝缘材料、EMI材料热管介绍：当液体在真空中通过加热,变成水蒸气，热被带来从蒸发部分到冷凝器部分。通过冷却器进行冷却,然后通过周边毛细结构力量将带回工作流体并且循环工作35热管加工过程切断缩头缩尾清洗焊尾Next36热管加工过程组装注水裁切及清洗一次除气二次除气折弯压扁焊头整形整形整圆还原热管的适用性对比表热管传导的能力(1)QmaxofRoundandStraightHeatPipe(Ref.)ThicknessofHeatPipefor35Winputisrecommendedfor3.5mm.工质的种类和特点WorkfluidRelativefigureofmerit(80℃)Usefulrange(℃)Wick/VesselmaterialLife(hrs)Ammonia0.45-60~100AL304SS36000Freon11386-10~100CUAL3044SS25000Acetone(丙酮)3000~120CUAL304SS500008000Methanol(甲醇)45010~120CUAL304SS500002000Ethanol(乙醇)3400~120CU304SS24000Water400030~250CU75000品质因子Nl=σρlhfg/μl(W/m2)是表面张力，液体密度，汽化潜热和液体粘度的函数，综合反应了工质物性对轴向传热的影响。轴流扇各种外形风扇离心扇各种外形风扇•流道的设计必须遵守”流道渐扩”原则:wherer0:fandiameterα0:flowangleatbladetip•通常以客户给定的空间,决定α0的值0tan0err流道的设计rCBoundarystreamlineθγ0θγαC2CWdP-Qcurve风扇性能指标P-QCURVE_UNDER3600RPM05101520253035404505101520253035AirFlow(CFM)P(mmAq)BFB1012H-SY05(52.5dB-A)AVCBLOWER(54.8dB-A)BFB1012H-A(MOCKUP_55dB-A)BA10033B(NEW_54.3dB-A)24.70230.03430.64331.47OLDDELTAOLDAVCNEWDESIGNAVC_54.3dB-ANEWDELTA_55dB-A离心扇的P-Q012345678910020406080100120avc3400rpmAVC4000rpmDeltaEFB92X384000rpm轴流扇的P-Q常有这一段失速区风扇的性能与公式运用风扇入风口影响性能影响风扇性能的要素NB风扇介绍45and52mmfancomparison-Qmaxv.s.fanspeed(3mminstall)44.555.566.577.5250030003500400045005000Fanspeed(rpm)Qmax(cfm)fan45+cover35installfan45+cover40installfan52+cover40installfan52+cover45installfan52+cover52install45and52mmfancomparison-Noisev.s.fanspeed(3mminstall)40424446485052250030003500400045005000fanspeed(rpm)NoiseLevel(dBA)fan45+cover35installfan45+cover40installfan52+cover40installfan52+cover45installfan52+cover52install49.6dBA(35)47.0dBA(40)44.5dBA(40)43.8dBA(45)舌口(tongue)影响噪音和流量影响风扇性能的要素纯角锐角流道过窄利用舌口强制分配双出口流量无舌口设计自然分配流量吸风距离00.10.20.30.40.50.60.70.80.9113579DistanceQ/Qmax,free-air3600370038003900400041004200430044004500N(rpm)Q/Qmaxvsdistancerpmvsdistance影响风扇性能的要素WindtunnelLowerplaneplate75x75x16blowersurface,A3mmupperplaneplatedistance,N0.650.70.750.80.850.913579Distance△P/△Pmax△P/△Pmaxvsdistance0.9511.051.11.151.213579DistancedB/dBbasedB/dBbasevsdistanceQmax:未加上下档板时的风量Pmax:未加上下档板时的风压流场分布影响散热性能—越前倾的风扇，流场分布越不均影响风扇性能的要素后掠(Backswept)风扇这个地方风量小，最好放在热管的无效端处前倾(forward)风扇Fin介绍:1.一般类型铝挤介绍:Material:A6063,A5052Process:Al-AlloyExtrusion使用到MCHorVGAorLED一些低功率设备上;铝挤产品设计参数:铝挤产品外观标准:产品外观检验标准缺点种类判定标准侧面1.刮伤：长度不限、宽1.0㎜以内，几处不限，判定OK。2.撞伤：长10.0㎜X宽3.0㎜面积以内3处(单面，含稜线处)，判定OK。3.摩擦伤：长20㎜X宽20㎜面积以内2处，判定OK。4.手触感(刮手)之刮伤、撞伤，判定NG；但刮除毛边后(不