经典散热原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,散热器概念及介绍,shiyan2012/07/24,1.,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(m,2,)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,Material,Thermal conductivity,(W/m K)*,Material,Thermal conductivity,(W/m K)*,Diamond,1000,Brick,red,0.6,Silver,406,Water at 20 C,0.6,Copper,385,Brick,insulating,0.15,Gold,314,Wood,0.12-0.04,Aluminum,205,Asbestos,0.08,Brass,109,Cork board,0.04,Iron,79.5,Fiberglass,0.04,Steel,50.2,Rock wool,0.04,Lead,34.7,Wool felt,0.04,Mercury,8.3,Polystyrene(styrofoam),0.033,Ice,1.6,Air at 0 C,0.024,Concrete,0.8,Polyurethane,0.02,Glass,ordinary,0.8,Silica aerogel,0.003,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,(Newtons law of cooling),通过物体表面之热传率为：,Q=hA(T,s,-T,fl,),Q:,传递热量,(W)h:Coefficient W/(m,2,K)A:ContactArea(m,2,),T,s,:Wall Temperature(K)T,fl,: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,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,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/m,2,K,4,),A,1,=,辐射面,1,的面积,(,单位：,m2),T,1,=,辐射面,1,的绝对温度,(,单位：,),T,2,=,辐射面,2,的绝对温度,(,单位：,),q,2,两表面间的净辐射热交换,表面温度,T,2,表面温度,T,1,q,1,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 resistance,junction-ambient,-maximize airflow and T,outlet-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),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,: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,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 dimension 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(Ref.),Thickness of Heat Pipe for 35W input is recommended for 3.5mm.,工质的种类和特点,Work fluid,Relative figure of merit(80),Useful range(),Wick/Vessel material,Life(hrs),Ammonia,0.45,-60100,AL,304SS,36000,Freon113,86,-10100,CU,AL,3044SS,25000,Acetone(,丙酮,),300,0120,CU,AL,304SS,50000,8000,Methanol(,甲醇,),450,10120,CU,AL,304SS,50000,2000,Ethanol(,乙醇,),340,0120,CU,304SS,24000,Water,4000,30250,CU,75000,品质因子,Nl=lhfg/l(W/m,2,),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 r,0,: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,r,C,Boundary streamline,0,C,2,C,W,d,P-Q curve,风扇性能指标,离心扇的,P-Q,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,49.6dBA(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,影响风扇性能的要素,Wind tunnel,Lower plane plate,75x75x16 blower,surface,A,3mm,upper plane,plate,distance,N,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,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,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：长限、宽,1.0,以内，几处限，判定,OK,。,2.,撞伤：长,10.0X,宽,3.0,面积以内,3,处,(,单面，含线处,),，判定,OK,。,3.,摩擦伤：长,20X,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,(,刮手,),，判定,OK,；有阳极处者，可修正，判定,NG,。,切断面,刮伤、撞伤：刮手，限长、宽，几处限，判定,OK,。,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,:,Riveted Type,凸包,折边,铆钉,铜柱,压铸,Rivet Diameter,D,D,D,D,D,Tolerance of diameter,0.05,0.05,0.05,0.05,0.05,Rivet Height required,T+0.5,T+0.5,T+0.5,T+0.5,T+0.5,Max Height,D/2,T,N/A,N/A,D,Tolerance of height,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,Tolerance of Rivets distance,0.05,0.05,0.1,Hole Diameter required,D+0.1,D+0.1,D+0.1,D+0.1,D+0.1,Tolerance of Diameter,+0.1/-0,+0.1/-0,+0.1/-0,+0.1/-0,+0.1/-0,Tolerance of Holes distance,0.05,0.05,0.05,0.05,0.05,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 Tolerance 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+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,:,K=Gd4/8ND3,G=,7200,8000,彈簧內徑,2.85,mm,線徑,d=,0.65,0.65,彈簧外徑,4.15,mm,有效圈數,N=,5,5,中心徑,D=,3.5,3.5,K=,0.749413994,0.832682216,壓縮行程,3,3,壓縮行程,=L-h,彈力,2.248241983,2.498046647,G(kgf/mm,2,):,sus304 G,值,=7200kgf/mm,2,琴鋼線,G,值,=8000kgf/mm,2,d(mm):,彈簧線徑,N:,彈簧有效圈數,.(,無效圈通常為,2,或,1.5,圈,),D(mm):,中心徑,=(,內徑,+,外徑,)/2.,彈簧高度,L,11.2,mm,h,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!,