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1、散热器概念及介绍,shiyan 2012/07/24,1.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。 传导(Conduction) 对流(Convection) 辐
2、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=KA (dT/dx) Q:传递热量(W) K: Thermal Conductivity W/m-K A: 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,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(
3、Newtons law of cooling)通过物体表面之热传率为： Q=hA(Ts-Tfl) Q:传递热量(W) h: Coefficient W/(m2K) A: ContactArea(m2) Ts: Wall Temperature (K) Tfl: Flow Temperature (K),Q/A,热传原理,对流常数:一般与流体的型态 速度 有关,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,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5.6710-8W/m2K4) A1
4、=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：),Heat Sink Design Criteria,功率(Power) 系统接受的T 系统接受的噪音 - Fan noise 可利用的： - Fan Housing Volume - Fin Volume 风扇的选择 热管的选择 界面热阻材料的选 择 环境,Remote Heat Exchanger(RHE),好RHE架构可满足高冷却性能，在成本和制程上满足最佳. Keys to success - minimize thermal resistancejunction-ambient
5、-maximize airflow and Toutlet-inlet,Junction,Block,Hp1,Hp2,Fin,Ambient,j-b,b-hp1,hp1-hp2,hp1-fin,fin - amb,任何一段热阻都是最大的冷却能力表现,(Thermal network),散热设计的流程,模拟分析,设计典型案例:,平台:Calpalla 14 cpu 35w vga:25w,平台:Calpalla 14 cpu 35w,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,散热应用行业,主动式散热器零件介绍,界面材料-TIM 1-1-1 TIM操作原
6、理,热传导系数:铜(385 W/m) 水(0.556 W/m) 空气(0.024 W/m),1-1-2 TIM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: 4450 Typical properties
7、 粘合条件: 30 minutes 150 导热系数: 1.97 W/ (mK) Shear strength after 30m 150: 3.65 Kgf/mm2 乐泰Loctite: 3873 Typical properties 粘合条件: Ambient,大于20 导热系数: 1.25 W/ (mK) Shear strength after 24H 22: 1.2 Kgf/mm2,铜块- Thermal Block 1-2-1材料: C1100, A1050 1-2-2制程:冲压 1-2-3材料厚度: 0.8, 1.0, 1.5, 2.0,2.5mm 1-2-4 Outline d
8、imension recommend for 35W is above 20*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,Next,36,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)Qmax of Round and Straight Heat Pipe
9、 (Ref.),Thickness of Heat Pipe for 35W input is recommended for 3.5mm.,工质的种类和特点,品质因子Nl=lhfg/l(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。,风扇介绍,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: where r0 : fan diameter 0 : flow angle at blade tip 通常以客户给定的空间,决定0的值,流道的设计,P-Q curve,风扇性能指标,离心扇的P-Q,风扇的性能与公式运用,风
10、扇入风口影响性能,影响风扇性能的要素,NB风扇介绍,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,影响风扇性能的要素,Qmax :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,Fin介绍: 1.一般类型,铝挤介绍: Material: A6063, A5052 Process: Al-Alloy Extrusion 使用到MCH or VGA or LED一些低功率设备上;,铝挤产品设计参
11、数:,铝挤产品外观标准:,压铸件: 材料: ADC6, ADC10, ADC12 ADC6硬度比较低相对于ADC10 and ADC12 1.如果SINK需要铆合对象,推荐使用ADC6 2.SINK厚度尽量设计到0.80以上至1.5MM 3. HP槽与BLOCK面接触地方需要设计干涉:0.05-0.10MM;以利HP与BLOCK完全焊接;,铆合件结构及参数设计:,Note:铆合件零件需要做C角, C0.3mm 表格供在设计阶段的参考,一般CPU壓力定義 80psi +/- 20psi，因此設計直須介於此數值內，但會因不同的晶片大小而有不同壓力值產生. 換算方式：,模组压力设计:,CPU Tol
12、erance Analysis Result,CPU Spec=60100 psi,最理想的pressure center為X=0 and Y=0，在理想狀態下才有可能達到. 一般實際應用X、Y值只需落在CPU chip的位置中即可. For example : cpu die size = 8.68 X 12.4 因此X=-4.34 4.34 and Y=-6.2 6.2在此數值之間的X、Y值皆 可接受.,CPU Tolerance Analysis Result,参数F, X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3, Y4, Z1, Z2, Z3 and Z4 F1+F2+F3+
13、F4=F F1*X1+F2*X2+F3*X3+F4*X4=0 F1*Y1+F2*Y2+F3*Y3+F4*Y4=0 F1*Z1+F2*Z2+F3*Z3+F4*Z4=0 F1, F2, F3 and F4,1.这个方法适用于:分支力2,3或者4; 2.对称地分布了每个压力分支，能改进被设计的效率、准确性和可靠性,二.压力设计的方法: 1.定义或计算出压力的SPEC; 2.计算出各分支的力: F1, F2, F3, F4,一,螺丝和弹簧的压力设计方法: 示意图:,螺丝和弹簧的力量计算公式,二,弹片的压力设计方法: 示意图,根据上述所示:L为力臂,根据需要的压力记算出弹片压缩行程,设计压力;,弹片力量的计算公式:,TKS!,
