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1、电子产品热设计原理和原则,目录 热设计简介 各种散热方式的影响因素 机顶盒散热设计,2020/8/18,2,热设计简介,2020/8/18,3,在热源至热沉之间提供一条低热阻通道,热设计核心,2020/8/18,4,热能传递只有3种方式:,热传递方式,传导、,对流,辐射、,2020/8/18,5,各种散热方式的影响因素,2020/8/18,6,传导散热,2020/8/18,7,传导散热,传导在物体（固体）中传播的热能的传递,截 面 积,长度,2020/8/18,8,Q = K A t / L,L - 传热路径长度, m,传导散热计算公式,Q - 传导散热量, W,K - 导热系数, W/m,A
2、 - 导体横截面积, m2,t - 传热路径两端温差, ,2020/8/18,9,传导热阻的概念,由公式 Q = K A t / L变形可得：,t=Q L / K A,1,2020/8/18,10,热传导改善,2020/8/18,11,热阻的影响因素,减少热传路径长度,R= L / K A,选用导热系数高的材料,增加导热面积,降低热阻,2020/8/18,12,Tj -晶片界面温度，一般115-180 ,军用65-80 ; Tc - 晶片与导热介质界面温度 Ts -导热介质与散热片界面温度 Ta -外界为空气35-45 ，密闭空间或接近其他热源50-60 Rjc -晶片到封装外壳热阻 Rcs
3、-导热介质热阻 Rsa -散热片热阻,散热片导热热阻模型,R = Rjc + Rcs + Rsa,2020/8/18,13,越薄越好?,越薄越好！,越薄越好！,减少热传路径长度措施,芯片封装外壳在保证机电性能前提下尽量薄,导热膏或者导热垫尽量薄,散热片的导热底尽量薄,18页进一步探讨,2020/8/18,14,选用导热系数高的材料,芯片封装材料,硅 99.9% 150,玻璃 1.09,树脂 2.16,三氧化二铝 32,2020/8/18,15,导热膏导热垫,2020/8/18,16,散热片材料,纯铝 220,纯铜 386,纯银 418,2020/8/18,17,增加导热面积,结论1：散热片吸热
4、底面积增加，芯片有效散热面积增大,纵向热阻减小,2020/8/18,18,结论2：散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大,面积与厚度之间要取优化值,横向热阻减小,2020/8/18,19,散热过程三步骤,对流,2020/8/18,20,吸热效果取决于吸热底设计,吸热底4个要求,2020/8/18,21,2020/8/18,22,2020/8/18,23,2020/8/18,24,对流散热,2020/8/18,25,对流散热计算公式,Q = h A t,Q - 对流散热量, W,K - 换热系数, W/m2,A - 导体横截面积, m2,t - 换热表面与流体温差, ,2020/8/18,26,
5、热对流改善,R= 1 / h A,增加流体换热系数,增加换热面积,降低热阻,2020/8/18,27,常用冷却介质的对流换热系数表,单位：W/m2,自然散热主要由两部分组成：辐射换热+自然对流。其中辐射换热占的比例2050%左右（跟物体温度及表面处理有关）自然散热时，可以假设热交换系数10w/m2. ,2020/8/18,28,自然对流换热系数,2020/8/18,29,强制对流换热系数,2020/8/18,30,对流换热改善,2020/8/18,31,改善对流换热系数的措施,流体相变变化,流体在气体和液体之间变化,引起流动原因,强制对流和自然对流,流体流动形态,层流和紊流,流体物理性质,比热
6、容、导热系数、密度、黏度,传热面几何性质,形状、大小,2020/8/18,32,流体相变变化,液态流体,气态流体,蒸发段,冷凝段,在热管中使用，受热的流体蒸发气化，将热量带到冷凝段。流体在冷凝段冷却液化后，通过毛细作用流回蒸发段。,2020/8/18,33,自然对流,强制对流,强制对流和自然对流,强制对流散热系数远大于自然对流,2020/8/18,34,层流和紊流,层流,紊流,流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动，流层间没有流体质点的相互交换。,流体不再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外，还有剧烈的径向运动。,紊流散热系数大于层流,2020/8/18,35,常用冷却流体物
7、理性质表,2020/8/18,36,散热面积的改善,2020/8/18,37,增加1倍 散热量增加1倍,减小到1/2 散热量增加0.4倍,增加1倍 散热量增加1倍,增加1倍 散热量增加0.4倍,气流方向长度,流速,散热面积,与气体温差,气流,散热面,热源,散热片散热因素的定量分析,2020/8/18,38,散热片散热计算实例,在80的散热板上，让40的空气平行流过的强制空冷散，求散发的热量。,因为翼片有正反两面，所以每个翼片的散热量为4.88W. 因为翼片不可能做到均一温度分布，所以要引入翼片效率的概念，计算结果为81%， 则翼片散热量应该修正为3.97W,Tanh (X)=(ex-e-x)/
8、(ex+e-x),2020/8/18,39,散热片的规格选取,散热量,热源尺寸,总面积和吸热底尺寸,2020/8/18,40,散热片的材料和表面处理,材料： 散热要求不高的场合，用铝材； 散热要求高的场合，用铜材； 兼顾成本、散热性能要求，基座用铜，鳍片用铝。,表面处理： 为提高鳍片外表面的辐射接收性能，将外表做黑化处理 提高鳍片黑度,2020/8/18,41,安装散热片的注意事项： 1、保证半导体功率器件工件时的实际结温小于最大结温的情况下，应该尽量选用体积小、重量轻的规格。 2、散热效果优劣与安装工艺有密切关系。安装时应尽量增大功率器件与散热片的接触面积，降低接触热阻，提高传热效果。 3、
9、如果把接触热阻降的更小些，安装时在功率器件与散热器之间加一层薄薄的导热硅脂，可以降低热阻25-35。 4、安装时需要在器件与散热器之间垫导热或绝缘垫片，建议采用低热阻材料，如紫铜箔、铝箔或薄云母、聚酯薄膜。 5、当安装一个器件时，其安装孔（或组孔）置于散热片基面中心线上均布（L/2）位置。当安装两个或两个以上器件时其安装孔（或组孔）位置在散热器基面中心线上均布（L/2n）位置。 6、紧固器件时需保证螺钉扭力一致。 7、功率器件与散热片安装好后，不宜再对功率器件和散热片进行机械加工或整形，否则会产生应力，增加接触热阻。 8、单面肋片式散热器，适于在设备外部（如安装在机箱外部）作自然风冷，即利于功
10、率器件的通风散热又可降低机内温升。 9、自然冷却时，应使散热片的断面平行于水平面的方向；强制风冷时，应使气流的流向平等于散热片的肋片方向。,散热片的安装,2020/8/18,42,自然对流,2020/8/18,43,2020/8/18,44,自然对流需考虑的问题,2020/8/18,45,1.元器件布局是否合理,发热高且耐热原件放在出风口处， 不耐热原件放在进风口处，避免发热元件对不耐热元件的辐射影响，可采用隔离措施； 热流密度高的器件放在边缘与顶部，靠近出风口的位置，与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置； 大功率器件应该分散布局，避免热量集中； 不同尺寸元器件尽量均分布，使风阻均
11、布。,2020/8/18,46,2.是否有足够自然对流空间,元器件与结构件之间保持13mm以上的距离； 相邻两垂直发热表面，D/L=0.25； 相邻垂直发热表面与冷表面，Dmin=2.5mm; 邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面,d/D=0.85; 邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面,d/D=0.7； 邻近的水平发热圆柱体和冷的水平表面,d/D=0.65； 进出风口尽量远离，避免气流短路。,热,热,L,D,热,冷,L,D,冷,热,d,D,D,冷,热,d,D,冷,热,d,2020/8/18,47,3.是否充分利用导热路径：导热材料将发热器件与机壳相连。 4.是否充分利用辐射散热路径； 5.使用散热
12、器； 6.其他冷却技术：冷管,2020/8/18,48,烟囱效应,如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空气推开，然后上升。这就是自然对流。 如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。,2020/8/18,49,基于烟囱效应的静压kg/m2 =(外部空气密度kg/m3-(内部空气密度kg/m3)X烟囱高度m 空气密度kg/m3=0 的空气密度kg/m3X273.15/(273.15+气温),烟囱效应形成的压差,假设外部空气温度40 ，内部空气温度80 ，箱子高28cm，求空气压差。 解：已知0 空气密度
13、为1.293g/L 外部空气密度=1.293X273.15/(273.15+40)=1.128g/L 内部空气密度= 1.293X273.15/(273.15+80)=1g/L 盒子烟囱效应的静压=（1.128-1）X0.28=0.0358 kg/m2=0.351Pa,2020/8/18,50,烟囱效应的例子,2020/8/18,51,强制对流,2020/8/18,52,2020/8/18,53,1.风道设计,尽量采用直通风道，避免气流转弯； 尽量避免骤然扩张或者骤然收缩； 进出风口尽量远离，避免气流短路; 正面、侧面、背面如无必要不要开孔，避免气流短路; 避免上游单元发热影响下游单元，可采用
14、独立风道； 避免风道回流区和低速区产生热点； 并联风道避免风阻不合理布局； 避免风道高低压区短路。,2020/8/18,54,基于排气的 散热量,产品内部构造 （风道）,风扇P-Q特性图,风扇产品目录,强制对流的工作流程,2020/8/18,55,换气量的估算,70W (60 ),(40 ),30W,100W,所需空气量（L/秒）=,热量W,空气热容量J/L. X温度上升,空气热容量：1.2953 温度上升：作为产品指标的允许温度和使用环境温度之间的差,所需空气量为2.7L/秒,2020/8/18,56,风扇P-Q特性图,2020/8/18,57,辐射散热,2020/8/18,58,辐射换热辐
15、射是指经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式,Q = T4,Q - 辐射散热量, W - 散热表面辐射率, W/m2 - 斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 5.6710-8(W/m2K4) T - 绝对温度, K,辐射散热,2020/8/18,59,常用材料黑度,2020/8/18,60,热设计计算,2020/8/18,61,热量,热阻,温度,热设计计算,热设计的三要素：热量、温度、热阻,已知热量、温度 求热阻？,2020/8/18,62,热量的确定,小功率器件，热耗为功耗的75% 电源模块，热耗为功耗70-95% 为设计保险计，热耗可以直接取功耗值,下图是TI MOSFET ucc27423 的
16、规格书中关于热耗参数说明的例子,2020/8/18,63,温升的确定,根据使用环境要求，确定环境温度 根据器件安全性和功能性要求，确定器件容许温度 器件容许温度和环境温度之差即为温升,例如，家用电器外壳容许温度45 , 手持式电子产品外壳容许温度40 , 芯片允许最高节温150 。,为安全计，计算时节温取最高节温80%（120 ），环境温度加10 。 则温升=150X80%-(45+10)=65 .,2020/8/18,64,有限元仿真法,根据机器架构布置作出热路原理图 初步选定散热通道上的材料，并确定其导热率 将相关参数输入CFD软件进行计算 对照计算结果和实际要求，对影响热阻的因素进行调整,常用热分析软件： Flotherm, Icepak, Ansys.,2020/8/18,65,1、有时候读书是一种
