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1、第12章 电子产品热设计,12.1电子产品热设计概述,电子产品工作时，其输出功率只占产品输入功率的一部分，其损失的功率都以热能形式散发出去，尤其是功率较大的元器件，因此，热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一，是制约产品小型化的关键问题。 电子设备热控制的目的是要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境下，能按预定的方案正常、可靠的工作。 防止电子元器件的热失效是热控制的主要目的。 热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致元件失效。,温度超过一定值时，元器件的失效率
2、,电子设备的热环境包括：环境温度和压力（或高度）的极限值；环境温度和压力（或高度）的变化率；太阳或周围物体的热辐射；可利用的热沉（包括：种类，温度，压力和湿度）；冷却剂的种类、温度、压力和允许的沉降。,热设计的基本任务是通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量，减少热阻，并选择合理的冷却方式，保证设备在散热方面的可靠性。 现在的热设计主要针对的散热目标有：CPU，NB（北桥）,SB（南桥）,TCP（薄膜封装）,MOSFET,LED等等。,12.2电子产品热设计理论基础,热交换的三种模式：传导、对流、辐射。,12.2.1热设计中的术语与名字,1.热术语 热特性 热流密度 热阻
3、 内热阻 安装热阻 温度梯度 紊流器 热沉,2.热名词 热传导 热对流 热辐射,12.2.2电子产品的热环境,12.2.3电子产品热控制的目的 12.2.4电子元器件与模块的热设计,变压器热设计处理,1.电子元器件的热设计 2.电子模块的热设计,12.3 笔记本电脑散热设计实例分析,12.3.1笔记本电脑热源追踪 12.3.2笔记本与台式电脑散热比较,12.3.3 笔记本散热方式,1.风扇散热,轴向型风扇,辐射型风扇,导热铜管设计,2.机身、外壳散热,镁铝合金质坚量轻、密度低、散热性较好、抗压性较强，能充分满足电子产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求。,苹果MAC系列笔
4、记本,键盘对流散热,3.散热底座,笔记本的散热底座的散热原理主要有两种：,1.单纯通过物理学上的导热原理实现散热功能，将塑料或金属制成的散热底座放在笔记本的底部，抬高笔记本以促进空气流通和热量辐射，可以达到散热效果。,2.在散热底座上面再安装若干个散热风扇来提高散热性能。这种风冷散热方式包括吹风和吸风两种方式。两种方式差别在于气流形式不同，吹风时产生的是紊流，属于主动散热，风压大但容易受到阻力损失，笔记本底部和散热底座实际组成了一个封闭空间，所以一般吸风散热方式更符合风流设计规范。,抬高笔记本的散热底座,带散热风扇的散热底座,4.水冷散热,水冷系统一般由以下几个部分构成：热交换器、循环体系、水
5、箱、水泵和水，根据需要还可以增加散热结构。水因物理属性，传热性并不比金属好，但是流动的水具有极好的传热性。水冷散热的散热性能与其中散热液流速成正比。而且水的热容积大，这使水冷制冷体系有着很好的热负载能力，直接好处就是CPU工作温度曲线非常平缓。,比如，使用风冷散热器的体系在运行CPU负载较大时，会在短时间内出现温度热尖峰，或可能超出CPU警戒温度，而水冷散热体系则由于热容积大，热波动相对要小得多。,CPU的水冷散热系统,水冷系统下的笔记本温度曲线,12.3.4埃普八爪鱼笔记本散热器,埃普八爪鱼散热底座是由著名的精辉公司针对桌面支架系统推出的新款人体工程学支架，参考八爪鱼仿生学设计，主体采用铝合
6、金结构和高强度工程塑料材料，设计精巧，做工优良，外观造型独特，具有很高的实用性和便携性。,主体采用的是铝合金压铸，表面细喷沙金属电镀，质感高档的同时保障了使用强度，美观耐用，并配有两个高速静音风扇，采用USB供电，提高电脑散热性能。,埃普八爪鱼散热底座的包装,细节欣赏,未使用八爪鱼散热器前鲁大师测试结果,使用八爪鱼散热器后鲁大师软件测试结果,12.4电子产品热设计实例： IBM“芯片帽”芯片散热系统,从理论上来说，散热片和芯片表面结合得越紧密，散热效率越高。将散热片的芯片顶部压紧自然是一种方法，但压力过大又会破坏芯片。IBM公司的研究人员近日发布了一项研究成果，能够大大提高芯片的散热效率。 这
7、套系统名叫“芯片帽”，或者说是高导热性接触面技术。他们从树木的根系和人的血管系统得到启发，在散热片底部开辟出了粗细不同，互相连接的渠道。也就是散热片的底部也通过细微的高低不平增大了接触面积。这样，当通过硅或银质的导热介质和芯片核心接触时，IBM宣称能够带来和现有方案相比10倍的散热效率。同时，加在散热片上的压力只需要之前的一半，避免了破坏核心的可能性。 同时，IBM的苏黎世实验室还在展望更加前卫的技术，名为直接喷射技术。该技术基于上面讲的多纹理接触面，又结合了液冷技术。将散热片表面的渠道体系排列的更为规则，用最多50000个微型喷嘴直接向这些阵列喷射散热液体。,芯片帽示意图,构想中直接喷射冲击
8、技术的散热片表面,12.4.1整机散热设计,1.确定整机的消耗和分布 2.根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案 3.对确定的冷却方式进行分析 4.针对分析结果可利用热分析软件进一步验证 5.对散热方案进行调整进而最后确定,比较优秀的整机散热设计,12.4.2机壳的热设计,电子设备的机壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。机壳的设计在采用自然散热和一些密闭式的电子设备中显得格外重要。机壳热设计应注意下列问题：,1.增加机壳内外表面的黑度，开通风孔等都能减低电子设备内部元器件的温度 2.机壳内外表面高黑度的散热效果比两侧开百叶窗的自然对流效果好 3.机壳内外表
9、面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好 4.在机壳内外表面黑化的基础上，合理改进通风结构 5.通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风口的进出应开在温差最大的两处，进风口要低，出风口要高 6.在自然散热时，通风孔面积的计算至关重要 7.结构要简单，不易落灰，又要满足强度，电磁兼容性要求和美观大方 8.减小发热器件与机壳的传导热阻，加强内部空气对流，增加机壳表面积等,12.4.3冷却方式设计,多种冷却方式的比较,12.4.4自然冷却设计,考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器
10、齿高低于10mm，可按齿间距=1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热器热齿表面不加波纹齿。 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射散热。,12.4.5强迫风冷设计,当自然冷却不能解决问题时，需要用强迫空气冷却，即强迫风冷。强迫风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动速度，达到散热的目的。 强迫风的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。 整机强迫风冷系统有两种形式：鼓风冷却和抽风冷却。,12.5电子产品热设计实例：高亮度LED封装散热设计,LED光源具有
11、高效节能和长寿命等优点，能够在照明节电上发挥巨大作用。由于LED特殊的结构，导致大功率LED在散热问题上面临重大挑战。 LED英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。 它是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。 LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着LED灯株。在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片
12、由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。,LED灯具,LED,高亮度LED热设计,外部量子化效率图,Luxeon系列LED横切面,Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法,MCPCB示意图,12.6笔记本电脑热设计中存在的问题,通常情况下，笔记本为了实现机体的全面封闭，大多都是采用了无风扇设计。这样带来的一个直接后果就是限制了高频CPU的使用。因为机体全面封闭以后，核心运算区的散热，就只能依靠机壳自然冷却来完成。为了最大限度的控制散热量，一般选择采用低于主流运算性能的低频CPU，在持续运行一段时间后，由于散热效率的低下，运算舱内温度越来越高，就会导致CPU自动降频。,联想昭阳R2000散热结构,1.LED灯在热设计中存在的问题 2.多姿态变化相机的热设计中存在的问题 3.数字摄像机的热设计,AVCHD方式的数字摄像机,英特尔提供的CPU温度信息及冷却方法,谢谢观赏,
