散热原理介绍.ppt
散热器概念及介绍shiyan2012/07/24 1.散热目的散热目的随着电子科技的发展及芯片制程的提升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电子组件的效能相对提高芯片越做越小片越做越小,而单位体积所发出的热量亦越来越多而单位体积所发出的热量亦越来越多,为了维持其正常的为了维持其正常的工作状态工作状态,热交换的动作也就相当的重要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,以提高工作效率以提高工作效率热传现象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传原理 热量是如何由温度高的地方传到温度低的地方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者综合型态呈现。1.传导传导(Conduction)2.对流对流(Convection)3.辐射辐射(Radiation)热传原理热传原理传导传导(Conduction):藉由邻近分子或自由电子的热运动程度之不同而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传递热的方式 含较高之能量分子会透过碰撞含较高之能量分子会透过碰撞 转动转动 振动等方式将能量转予较振动等方式将能量转予较 冷的分子冷的分子 热传导公式可用热传导公式可用Fourier定律来表示定律来表示 热通量与温差变化成正比热通量与温差变化成正比 Q=K A (dT/dx)Q:传递热量传递热量(W)K:Thermal Conductivity W/m-K A:ContactArea(m2)dT/dx:是物体沿是物体沿L方向的温度梯度，即温度变化方向的温度梯度，即温度变化率率(K/m)热传原理热传原理MaterialThermal conductivity(W/m K)*MaterialThermal conductivity(W/m K)*Diamond1000Brick,red0.6Silver406Water at 20 C0.6Copper385Brick,insulating0.15Gold314Wood0.12-0.04Aluminum205Asbestos0.08Brass109Cork board0.04Iron79.5Fiberglass0.04Steel50.2Rock wool0.04Lead34.7Wool felt0.04Mercury8.3Polystyrene(styrofoam)0.033Ice1.6Air at 0 C0.024Concrete0.8Polyurethane0.02Glass,ordinary0.8Silica aerogel0.003热传导热传导K值越大值越大 表示传热能力越强表示传热能力越强热传原理热传原理对流对流(Convection):藉由液体或气体的移动来传递热量的方式藉由液体或气体的移动来传递热量的方式，牛顿冷牛顿冷却定律却定律(Newton(Newtons law of cooling)s law of cooling)通过物体表面之热传率为：通过物体表面之热传率为：Q=h A(Ts-Tfl)Q:传递热量传递热量(W)h:Coefficient W/(m2 K)A:ContactArea(m2)Ts:Wall Temperature(K)Tfl:Flow Temperature(K)Q/A热传原理热传原理 对流常数对流常数:一般与流体的型态一般与流体的型态 速度速度 有关有关对流型态对流型态描述描述H H 值范围值范围 (W/m2K)(W/m2K)自然对流自然对流因密度差异所导致因密度差异所导致10(gas)100(liquid)强制对流强制对流由风扇或者外在物体驱由风扇或者外在物体驱动动100(gas)1000(liquid)沸腾沸腾相变化液体变成气体相变化液体变成气体20,000冷凝冷凝相变化由气体变成液体相变化由气体变成液体20,000热传原理热传原理辐射辐射(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传导方式 式中式中：q=热传导速率热传导速率(单位：单位：W)=辐射率或黑度辐射率或黑度(emissivity)=斯蒂芬波尔兹曼常数斯蒂芬波尔兹曼常数 (约为约为5.6710-8W/m2K4)A1=辐射面辐射面1的面积的面积(单位：单位：m2)T1=辐射面辐射面1的绝对温度的绝对温度(单位：单位：)T2=辐射面辐射面2的绝对温度的绝对温度(单位：单位：)q2 两表面间的净辐射热交换 表面温度T2表面温度T1q1 Heat Sink Design Criteria功率功率(Power)系统接受的系统接受的T系统接受的噪音系统接受的噪音-Fan noise可利用的可利用的：-Fan Housing Volume -Fin Volume风扇的选择风扇的选择热管的选择热管的选择界面热阻材料的选界面热阻材料的选 择择环境环境Remote Heat Exchanger(RHE)好好RHE架构可满足高冷却性能，在成本和制程上满足最佳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 -maximize airflow and Toutlet-inletJunctionBlockHp1Hp2FinAmbientj-bb-hp1b-hp1hp1-hp2hp1-hp2hp1-finhp1-finfinfin-ambamb任何一段热阻都是最大的冷却能力表现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散热设计的流程散热设计的流程模拟分析设计典型案例:平台:Calpalla 14cpu 35w vga:25w平台:Calpalla 14cpu 35w平台:Cooler平台:医疗器平台:室外发射器平台:AIO一体机平台:上网本主动式散热器零件主动式散热器零件介绍介绍界面材料-TIM1-1-1 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:4450Typical 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:3873Typical 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:0.8,1.0,1.5,2.0,2.5mm1-2-4 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Next36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 fluidRelative figure of merit(80)Useful range()Wick/Vessel materialLife(hrs)Ammonia0.45-60100AL304SS 36000Freon11386-10100CUAL3044SS 25000Acetone(丙酮丙酮)3000120CU AL 304SS 50000 8000Methanol(甲醇甲醇)45010120CUAL304SS 50000 2000Ethanol(乙醇乙醇)3400120CU304SS 24000Water400030250CU 75000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。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 diameter0: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 r r r C C C C Boundary streamlineBoundary streamline 0 0 C C C C 2 2 2 2 C C C C WWWW d d d 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)49.6dBA(35)47.0dBA(47.0dBA(4040)44.5dBA(40)44.5dBA(40)43.8dBA(45)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 tunnelWind tunnelLower plane plateLower plane plate75x75x16 blowersurface,Asurface,A3mm3mmupper planeupper plane plateplatedistance,Ndistance,NQmax: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，最好放这个地方风量小，最好放在热管的无效端处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,A5052Process: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设计参数:铝挤产品外观标准铝挤产品外观标准: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,ADC12ADC6硬度比较低相对于ADC10 and ADC121.如果SINK需要铆合对象,推荐使用ADC62.SINK厚度尽量设计到0.80以上至1.5MM3.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 DiameterDDDDDTolerance of diameter0.050.050.050.050.05Rivet Height requiredT+0.5T+0.5T+0.5T+0.5T+0.5Max HeightD/2TN/AN/ADTolerance of height0.10.10.10.10.1Tolerance of Rivets distance0.050.050.1Hole Diameter requiredD+0.1D+0.1D+0.1D+0.1D+0.1Tolerance of Diameter+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0Tolerance of Holes distance0.050.050.050.050.05Note:铆合件零件需要做C角,C0.3mm 表格供在设计阶段的参考 一般一般CPU壓力定義壓力定義 80psi+/-20psi，因此設計直須介於此數值內，但會因不同的，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晶片大小而有不同壓力值產生.換算方式：換算方式：模组压力设计:CPU Tolerance Analysis ResultCPU Spec=60100 psi最理想的最理想的pressure center為為X=0 and Y=0，在理想狀態下才有，在理想狀態下才有可能達到可能達到.一般實際應用一般實際應用X、Y值只需落在值只需落在CPU chip的位置中即可的位置中即可.For example:cpu die size=8.68 X 12.4因此因此X=-4.34 4.34 and Y=-6.2 6.2在此數值之間的在此數值之間的X、Y值皆值皆可接受可接受.CPU Tolerance Analysis Result参数F,X1,X2,X3,X4,Y1,Y2,Y3,Y4,Z1,Z2,Z3 and Z4F1+F2+F3+F4=FF1*X1+F2*X2+F3*X3+F4*X4=0F1*Y1+F2*Y2+F3*Y3+F4*Y4=0F1*Z1+F2*Z2+F3*Z3+F4*Z4=0F1,F2,F3 and F41.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,F4一一,螺丝和弹簧的压力设计方法螺丝和弹簧的压力设计方法:示意图示意图:K=Gd4/8ND3G=72008000彈簧內徑2.85mm線徑d=0.650.65彈簧外徑4.15mm有效圈數N=55中心徑D=3.53.5K=0.7494139940.832682216壓縮行程33壓縮行程=L-h彈力2.2482419832.498046647G(kgf/mm2):sus304 G值=7200kgf/mm2琴鋼線 G值=8000kgf/mm2d(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 L11.2mmh螺丝和弹簧的螺丝和弹簧的力量计算公式力量计算公式二二,弹片的压力设计方法弹片的压力设计方法:示意图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弹片力量的计算公式:TKS!
