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1、人们都知道热传导有三种形式：辐射、传导、对流。热传导：热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象叫做热传导。热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。各种物质的热传导性能不同，一般金属都是热的良导体，玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体，石棉的热传导性能极差，常作为绝热材料。热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。对流：液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流
2、往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。 靠气体或液体的流动来传热的方式叫做对流。热辐射：物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500摄氏度以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。高温物体直接向
3、外发射热的现象叫做热辐射。热的导体各种物体都能够传热，但是不同物质的传热本领不同容易传热的物体叫做热的良导体，不容易传热的物体叫做热的不良导体。金属都是热的良导体。瓷、木头和竹子、皮革、水都是不良导体。金属中最善于传热的是银，其次是铜和铝最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花，石棉、软木和其他松软的物质。液体，除了水银外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热散热器材料的选择 散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意!目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数: 金317 W/mK 银 429 W/mK 铝 401 W/mK 铁 237 W/mK 铜48 W/mK
4、AA6061型铝合金 155 W/mK AA6063型铝合金 201 W/mK ADC12型铝合金 96 W/mK AA1070型铝合金 226 W/mK AA1050型铝合金 209 W/mK 热传导系数的单位为W/mK,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K1)时的热传导功率. 热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格.热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片.铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工
5、难度大等不利条件,在计算机相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料.铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,寄此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择. 各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域.上表中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为
6、采用.ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12.AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片.如何判断芯片是否需要增加散热措施 如何判断芯片是否需要增加散热措施 【铝合金散热器】第一步:搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等 第二步:计算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P 第三步:计算要达到目标需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P 第四步:计算芯片本身的Rca:Rca=Rja-Rjc 如果Rca大于 Rca,说明不需要增加额外的散热措施. 如果R
7、ca小于Rca,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等. 如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.下面举一个简单的例子: 例:某芯片功耗1.7W;Rja53/W;Tj125;Rjc25/W,芯片工作的最大环境温度是50.判断该芯片是否需要加散热器,散热器热阻是多少. Tc-max=Tj- Rjc*P =125-25/W*1.7W =82.5 Rca=(Tc-max-Ta)/P =(82.5-50)1.7 =19.12/W Rca=Rja-Rjc =53-25 =28/W Rca小于Rca,所以需要增加散热器. 散热器
8、的热阻假设为Rs,则有: Rs/Rca小于Rca Rs*28/(Rs+28)小于19.12 Rs小于60.29/W 所以选用的散热器热阻必须小于60.29/W. 在普通的数字电路设计中,我们很少考虑到集成电路的散热,因为低速芯片的功耗一般很小,在正常的自然散热条件下,芯片的温升不会太大.随着芯片速率的不断提高,单个芯片的功耗也逐渐变大,例如:Intel的奔腾CPU的功耗可达到 25W.当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时,就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放,使芯片工作在正常温度范围之内. 通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的
9、物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量. 在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.与电路计算中最基本的欧姆定律类似,散热的计算有一个最基本的公式: 温差 = 热阻 功耗 在使用散热器的情况下,散热器与周
10、围空气之间的热释放的阻力称为热阻,散热器与空气之间热流的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器的散热能力越强.散热设计的一些基本原则 业裕铝合金散热器 散热设计的一些基本原则从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则: 对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路
11、(或其它器件)按纵长方式排列,如图3示;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列. 同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游. 在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响. 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发
12、热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局. 设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题.业裕铝合金散热器-功率器件的散热计算及散热器选择功率器件的散热计算及散热器选择 目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安
13、全、可靠地工作。 散热计算 任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这
14、称为自然冷却或自然对流散热。 热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为R JC，器件底部与散热器之间的热阻为R CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为R SA，总的热阻R JA=R JC+R CS+R SA。若器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻R JA。 R JA(TJ-TA)/PD 则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为 R SA(T_J-T_AoverP_D)-(R JC+R CS) 出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40 60。R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R CS典型值为0.1 0.2/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R CS可达1/W。PD为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，R SA可以计算出来，根据计算的R SA值可选合适的散热器了。 散热器简介 小型散热器(或称散热片)由铝合金
