散热设计知识

2020 3 21 北洋集团 清华大学 散热设计知识 威海北洋电气集团股份有限公司清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室 2020 3 21 北洋集团 清华大学 热传导三种类型 1 导热 HeatConduction 定义 热量从物体中温度较高的部分传到温度较低的部分或者从温度较高的物体传到与其接触的温度较低的物体 物体各部分间无宏观相对位移 热量在传递过程中无能量形式的变化 特点 2020 3 21 北洋集团 清华大学 计算公式 1 导热 HeatConduction l为导热系数 热导率 W m oC 热传导三种类型 2020 3 21 北洋集团 清华大学 2 热对流 Convection 特点 流体各部分间发生宏观相对位移 热量在传递过程中无能量形式的变化 只能发生在流体中 必然拌有导热现象 热传导三种类型 定义 在流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递 2020 3 21 北洋集团 清华大学 2 热对流 Convection 对流换热 流体流过固体壁面时的热量交换 热传导三种类型 对流换热的计算公式 l为对流换热系数 W m2 oC 2020 3 21 北洋集团 清华大学 3 热辐射 ThermalRadiation 辐射 物体通过电磁波来传递能量的过程 Radiationisaprocessthattheenergymaybetransferredbyelectromagneticwave 由于热的原因而产生的辐射 物体将内能转变为电磁波 或者物体吸收电磁波而变为内能 特点 能量可在真空中传播 热量在传递过程中发生形式上的变化 计算公式 为常数 5 6697 10 8W m2 oC4 热传导三种类型 2020 3 21 北洋集团 清华大学 一种常见的散热方式 2020 3 21 北洋集团 清华大学 工程传热问题可分为两种类型 b确定温度场 a计算传热量 2020 3 21 北洋集团 清华大学 单位时间 单位面积上的传热量 热流密度 与温度梯度成正比 傅立叶定律 Fourier sLaw 1822年 傅立叶定律 导热的基本定律 Theheattransferredperunitareaandperunittime heatflux isproportionaltothetemperaturegradient l 导热系数 W m 2020 3 21 北洋集团 清华大学 假设 1 连续介质 2 各向同性 所依据的定律 傅立叶定律 能量守恒定律 3 均匀内热源 强度为 W m3 4 密度 比热为常数 2020 3 21 北洋集团 清华大学 导热系数为常数时 一 直角坐标系中的导热微分方程 2020 3 21 北洋集团 清华大学 如果无内热源 傅立叶方程 如果稳态无内热源 拉普拉斯方程 如果稳态导热 泊松方程 2020 3 21 北洋集团 清华大学 第一类边界条件 给定物体边界上任何时刻的温度分布 边界条件 第二类边界条件 给定物体边界上任何时刻的热流密度 第三类边界条件 给定物体边界与周围流体间的对流换热系数h及流体的温度tf 2020 3 21 北洋集团 清华大学 热导率为常数k 且两表面温度均匀恒定的均质平板中的一维稳态导热问题是最简单的传热问题 取梯度方向为x 将傅立叶方程分离变量并积分可得 整理可得 x kA称作热阻 可以看作类似电阻的物理量 并联 串联定理仍然成立 一维导热问题 热阻 2020 3 21 北洋集团 清华大学 定义 在两个物体交界面上有热量传递时 界面上将产生一定的温度降落 引起这种温度降落的热阻称为接触热阻 2020 3 21 北洋集团 清华大学 1 提高对流换热系数 2 降低tf 常常是不实际的 3 增大换热面积 常用办法 在表面温度tw一定时 提高传热量的办法 延展表面 是在固体上凸出的 在其内部由热传导传递热量而在界面上与周围环境之间由对流 和 或辐射 传递热量的表面 2020 3 21 北洋集团 清华大学 代入傅立叶方程可以得出解析表达式 算出延展表面的导热量 实际设计时一般进行计算机数值模拟计算 2020 3 21 北洋集团 清华大学 考虑右图的微体积元 根据体积元内质量的变化等于流入与流出质量之差可得流体的连续性方程 其中 u v w分别是x y z方向的流速 是流体密度 如果流体定常 则有 对流相关 流体方程 2020 3 21 北洋集团 清华大学 二维 常物性 不可压 稳态 动量方程 对流相关 流体方程 能量方程 其中 a k c k为导热系数 是密度 c为恒压热容 2020 3 21 北洋集团 清华大学 速度边界层 速度边界层定义 壁面到99 U 的区域 对流相关 边界层 将流场分为边界层内和边界层外两个区域 在边界层内速度变化比较剧烈 会产生较大的粘性切应力 由于管壁和流体之间存在黏性 管壁附近的流体速度存在梯度 2020 3 21 北洋集团 清华大学 对流相关 边界层 层流 laminar 流体质点运动平稳 彼此平行随着流速变快 层流变成湍流湍流 turbulent 流体质点随机运动 不平稳 2020 3 21 北洋集团 清华大学 对流相关 边界层 流体流动时的惯性力Fg和粘性力 内摩擦力 Fm之比称为雷诺数 用符号Re表示 无量纲参数 一般 Re4000 湍流 2020 3 21 北洋集团 清华大学 对流相关 边界层 贝克莱数 用P或Pe表示 是一个无量纲数值 用来表示对流与扩散的相对比例 随着Pe数的增大 输运量中扩散输运的比例减少 对流输运的比例增大 2020 3 21 北洋集团 清华大学 边界层要点 当粘性流体流过固体表面时 可以将流动划为边界层区和主流区 边界层的厚度与壁面尺度相比是一个非常小量 在边界层内流动状态分为层流和紊流 而紊流边界层内紧靠壁面处仍有极薄的一层保持层流流动 称为层流底层 温度也存在边界层 对流传热的计算非常复杂 一般都采用数值模拟计算 确定雷诺数和贝克莱数可以确定采用何种模型进行计算 对流相关 边界层 2020 3 21 北洋集团 清华大学 电子系统散热方法 芯片级通过设计芯片结构使芯片热量迅速传递到芯片表面封装级设计合适的封装结构和固晶方式 将热量迅速从LED芯片导出到散热装置上面系统级为产品设计合适的散热方式 将产生的热量散到环境中 2020 3 21 北洋集团 清华大学 芯片级散热 以LED为例 电子系统散热方法 普通LED器件 倒装焊LED器件 2020 3 21 北洋集团 清华大学 电子系统散热方法 封装级散热 以LED为例 第一 封装成本必须价格低廉 第二 良好的电和热传导 第三 热应力和可靠性 少热应力需要改进散热管理 使光源内的温度梯度达到最小 第四 与紫外和可见光兼容 在紫外和可见光照射下不老化 光吸收比较少 目前 常用技术 改进焊料 采用高导热率的焊料 AuSn共晶焊采用高导热率的热沉 AlN陶瓷封装结构设计 2020 3 21 北洋集团 清华大学 电子系统散热方法 共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象 共晶合金直接从固态变到液态 而不经过塑性阶段 其熔化温度称共晶温度 AuSn共晶焊料有广泛的应用2 5W m K 20W m K 57W m K silvercolloid silvercolloid Au Snsolder AlN陶瓷是优良的导热材料 导热率可达300W m K以上 是LED常用的导热材料 金属Al导热率可达200W m K左右 价格便宜 也是常用散热材料 2020 3 21 北洋集团 清华大学 电子系统散热方法 系统级散热 自然散热 完全依靠自身的结构实现散热 成本最低 能力也最差 加装风扇强制散热 借助强迫对流散热 热量可以更迅速地扩散 但是这种散热方式增加了成本和电损耗 而且风扇的寿命有限 风扇在运行中有一定噪音 另外 这种散热方式用在户外灯具上由于防水的要求使用效果会比较差 热管散热 与加装风扇强制散热相比 热管散热技术不需要增加额外的控制电路 增加了系统的稳定性 但是 外观带来很大的问题 增大了体积 另外 高效率的热管成本也比较高 半导体制冷 半导体制冷具有寿命长 无噪音的优点 但是成本很高 使用条件要求苛刻 使用方法不恰当反而会增大散热的负担 2020 3 21 北洋集团 清华大学 散热设计软件 Icepak 设计不同的散热系统需要进行建模 计算 手工进行是不现实的 需要使用计算机进行辅助设计一款常用的设计软件 IcepakIcepak是FLUENT公司的一款面向工程师开发的专业电子产品热分析软件 包括建模 网格和后处理工具 以及FLUENT求解器 首先在建模工具内建立物理模型 然后指定网格约束条件 生成网格 使用FLUENT求解器求解FVM 有限体积模型 方程 得出温度场 流速场的分布 再通过后处理工具可视化处理 能够计算电子设备部件级 板级和系统级的问题 2020 3 21 北洋集团 清华大学 Icepak应用举例 问题描述机柜包含5个高功率的设备 密封在一个腔体内 一块背板plate 10个翅片fins 三个fans 和一个自由开孔 如图1 1所示 Fins和plate用xtrudedaluminum 每个fan质量流量为0 01kg s 每个ource为33W 根据设计目标 当环境温度为20C时设备的基座不能超过65C 2020 3 21 北洋集团 清华大学 建立箱体模型 确定热源功率 风扇功率 散热片材料 尺寸