电子设备散热基础知识

1、O-Net Communications CO., LTD.,.,Page1,电子设备散热基础知识,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page2,一、散热基础知识 热量传递的三种基本方式 热阻的概念 二、散热器介绍 散热鳍片设计 激光器散热方案分析 三、热传界面材料介绍 导热硅脂及导热垫详细介绍 四、热管，风扇基础知识 五、散热测试仪器介绍 六、仿真介绍以及散热发展趋势 七、散热设计实例,提 纲,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page3,一、散热基础知识,热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射 电子设备冷却过程中通常三种散热

2、方式同时存在，同时发生 Fourier导热公式：Q=A(Th-Tc)/x Newton对流换热公式：Q=A(Tw-Tair) 辐射4次方定律：Q=5.67e-8A(Th4-Tc4) 其中、 、分别为导热系数，对流换热系数及表面的辐射率，A是换热面积,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page4,1.热传导（ Heat Conduction ）,导热过程中传递的热量按照Fourier导热 定律计算： Q=A(Th-Tc)/x,其中： A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2; Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度， x为两个面之间的距离，单位为m。 为材料的导

3、热系数，单位为W/(m）,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page5,导热系数（ Thermal Conductivity ）,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page6,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page7,Heat Conduction 应用案例,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page8,2.热对流（ Heat Convection ）,对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程，这是电子设备散热中中应用最

4、广的一种换热方式。 根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。 机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page9,对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算： Q=hA(Tw-Tair) 其中： A 为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2 ; Tw 与Tair 分别为固体壁面与流体的温度， h是对流换热系数： 自然对流时换热系数在110W/(*m2)量级，实际

5、应用时一般不会超过35W/(*m2)； 强制对流时换热系数在10100W/(*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(*m2）。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page10,3.热辐射（ Heat Radiation ）,辐射是通过电磁波来传递能量的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体的辐射计算公式为： E5.67e-8T4 物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。 磨光的铝表面的黑度为0.04, 氧化的铝表面的黑度为0.3， 油漆表面的黑度达到0

6、.8， 雪的黑度为0.8。 塑料外壳表面喷漆，PWB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到0.8，这些都有利于辐射散热。对于电子设备金属外壳，常可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热，例如表面阳极氧化处理，喷砂等。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page11,黑度（Emissivity ）,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page12,4.热阻（ Thermal Resistance ）,热阻计算公式： Q=T/Rth 热量传递过程中，温度差T是过程的动力，好象电学中的电压，换热量Q是被传递的量，好像电学中的电流，Rth称为热

7、阻（thermal resistance），单位为/W，就像导热过程的阻力。 器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page13,两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如右图所示，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以传导和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力成为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂，导热垫）填充界面间的

8、空气。 在设计热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据不同的应用情况以及所处环境选择合适的导热填充材料，如硅脂、导热膜，导热垫等。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page14,适当的增加两个接触表面上的压力可以有效的减小接触热阻。右图是接触热阻与接触压力、表面状况之间的关系曲线。 工程上常用的减小接触热阻方法： 加大接触表面的压力； 提高两接触面的精度； 接触表面增加导热垫或导热硅脂，导热膏；,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page15,二、散热器介绍,散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。,Workst

9、ation Heatsink,Chip Heatsink,Server Heatsink,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page16,散热器设计步骤 1，根据相关约束条件设计轮廓图 2，根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚，齿形，齿间距，基板厚度进行优化 3，对散热器进行校核计算,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page17,考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层容易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于6mm，如果散热器齿高小于10mm，可按齿间距1.2倍齿高来确定

10、散热器的齿间距。 自然对流的散热器表面一般要提高表面黑度的处理，表面颜色可以任意选择，以增大散热器表面的辐射系数，强化辐射散热。 由于自然对流达到热平衡的时间比较长，所以自然对流的基板以及齿厚应足够，以抗击瞬时的热冲击，基板厚度建议大于5mm,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page18,鳍片形状经验设计： 鳍片间距：对于自然对流，肋片间距要在4mm以上 肋片角度：约为3,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page19,散热器基板优化：,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page20,不同风速下散

11、热器齿间距选择方法：,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page21,激光器散热设计方案分析：,正确安装激光器模块，并且保证与热沉接触良好是激光器正常工作的必要保证条件。 图示所示为一种激光器散热良好的安装原理，激光器主要导热方向是从芯部向下，所以在激光器下部适当安装一个热沉，并且配合上导热接触材料（导热硅脂，导热垫等），在焊接激光器过程中，推荐的压力为200KPa（30psi，15N）。,F：200KPa，30psi，15N Thermal interface： Chomerics G579，G974 导热垫 Dow-corning TC-5121导热硅脂,O

12、-Net Communications CO., LTD.,.,Page22,案例：器件的散热措施与封装不匹配散热设计事倍功半 下图所示散热方案设计没有根据器件内部封装结构，虽然整个光模块还加工了散热片，但激光器产生的热量没有一个很好的导热路径，激光器在工作过程中，壳体温度非常有可能会超过规格。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page23,好的散热方案必须针对器件的散热特性进行设计! 根据不同封装的器件采用不同的散热处理方式！,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page24,三、热传界面材料介绍,热传界面材料主要包括：导热硅脂

13、，导热胶，导热垫等 主要用于填充热源与散热器之间的面与面的间隙，从而减小接触热阻，改善热源散热性能。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page25,TIM (Grease及Thermal pad)使用原理,Heatsink與芯片表面并非光滑無間，兩表面接触面存在間隙。因空氣為熱的不良導體，熱傳導系數K值僅 0. 026 W/m.K。依間隙尺寸5m，芯片功率45W，芯片尺寸20*13mm計算，芯片T-c与散热器之间兩者溫差为：T=Q*d/(A*K)=45*0.000005/(0.02*0.013*0.023) 37.6。 若使用填充介質，設填充介質K值為3.3W

14、/m.K， 則T=45*0.000005/(0.02*0.013*3.3) 0.26,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page26,常用的界面导热材料导热硅脂,通常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也有灰色或金色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、氮化硼、 氧化银、银粉、铜粉等。,1）为最常见的界面导热材料, 常采用印刷或点涂方式进行施加。 2) 用于散热器和器件之间，优点为维修方便,价格便宜。 3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小

15、，适合大功率器件的散热。 4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。,特点,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page27,结论：厚度越薄，热阻越小，因此使用时要控制厚度 建议厚度：0.08-0.13mm,导热脂厚度与性能的关系,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page28,使用方法,导热硅脂使用前，需要用干净碎棉布沾酒精进行先将器件、散热器表面擦洗干净。,导热硅脂使用时要求采用钢板等印刷工装进行硅脂的印刷施加， 如下图所示，可根据实际单板布局情况灵活选择印刷在器件或散热器上。,导热硅脂印刷涂覆面积推荐占器件

16、与散热器总接触面积的7080. 对于手工涂抹硅脂的器件，要求硅脂尽可能少，厚度尽量薄。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page29,Thermal Aging 125 结论：随着设备的老化，导热硅脂也会逐渐挥发（非常少），从而性能下降，光通讯模块不建议使用。,导热硅脂的稳定性,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page30,常用的界面导热材料导热垫,主要应用及特点： 主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填充或几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不一样的场合或加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。 同时

17、由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且便于安装和拆卸。 可根据安装环境，制备成合适的尺寸，便于安装，效率和利用率高，组装成本较低,导热垫(Thermal conductive Gap pad),O-Net Communications CO., LTD.,.,Page31,导热垫使用时需要一定的安装力，选用时需要考虑芯片的承受能力,压缩量越大，热阻越小,压缩量越大，最终厚度越小，热阻越小,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page32,昂纳公司EDFA以及其它通讯光模块使用寿命要求高，建议使用导热垫，用来填充Pump与结构件之间的间隙，从而降低直接接触热

18、阻。 建议的导热材料为： Chomerics G579，G974 导热垫 并且可以按照PUMP大小让供应商裁切成合适大小,导热材料选用标准： 1）导热系数和热阻：热性能满足要求 2）硬度：优先选用硬度较低的材料 3）绝缘性能：耐压满足产品需求 4）阻燃：阻燃等级要求,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page33,Step1：将导热垫贴在散热器或器件上；,Step2：垂直力撕去离心纸；,使用方法,导热垫使用前，需要用干净碎棉布沾酒精进行先将器件、散热器表面擦洗干净。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page34,四、热管介绍,热

19、管与风扇昂纳公司使用较少，暂不做介绍。 普通热管由管壳、吸液芯和工质组成，如图所示。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page35,在选择风扇的时候，主要关注风量，风压，噪音，寿命等参数是否满足设设计要求,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page36,风扇使用注意事项：,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page37,五、散热测试仪器介绍,目前公司常用的接触式温度传感仪器为：热敏电阻， 热电偶。 热电偶使用中切勿破坏热电偶头部焊球。 热电偶与被测表面接触有以下3种方式： 点接触，面接触，等温线接

20、触。 在相同外界条件下： c的接触方式最好，a的最差。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page38,恒溫恒濕柜是提供一個恒定的測試環境（溫度和濕度），以供測試。 內尺寸：100*80*100（cm）外尺寸：167*113*187（cm） 溫度範圍：0100 濕度範圍：1098%RH,恒溫恒濕柜：,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page39,手持式溫度儀插上热电偶線后能方便的顯示溫度,热电偶能配合温度记录仪准确测试出流体的温度，固体以及固体壁面的温度。,风速仪能简单测试恒温箱流场风速,温度仪，热电偶，风速仪：,O-Net C

21、ommunications CO., LTD.,.,Page40,六、仿真介绍以及散热发展趋势,热仿真分析介绍: 电子设备热设计软件是基于计算传热学技术（NTS）和计算流体力学技术（CFD）发展电子设备散热设计辅助分析软件，它可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案，满足产品快速开发的需要，并可以显著降低产品验证热测试的工作量. 热仿分析技术软件在产品开发中的作用 1.对产品的温度场作出预测，使我们在进行产品设计开发时关注热点区域 2.进行各种设计方案的优劣分析，得出最佳的设计方案 3.对产品的风路进行优化，最大限度的提高散热效率,O-Net Communications CO., LTD.,

22、.,Page41,传统的热设计方法与仿真分析方法的比较 在操作流程上面的差异 传统的热设计方法利用设计者的经验确定出设计方案，然后利用经验公式进行估算，在通过试验进行验证，并根据试验结果进行优化。 仿真分析软件可以同时对多种设计方案的优劣进行分析比较，并能够确定出最佳的设计方案。如果软件使用者具有足够的热设计经验，则完全可以省略试验验证的环节，从而达到缩短设计周期的目的。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page42,1. 电子设备的热耗不断增加,2. 用户要求设备小巧轻便,3. 使用环境的多样化,4. 散热:设备失效的首要祸患,电子设备的散热问题,O-Net

23、 Communications CO., LTD.,.,Page43,不同级别的热设计和热仿真,元件级,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page44,在什么时候进行热仿真,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page45,七、散热设计实例分析,冷却方式的选择方法案例： 某电子设备的功耗为300W，机壳的几何尺寸为248381432mm，在正常大气压下，若设备的允许温升为40，试问采用那种冷却方法比较合理？ 计算热流密度：q=300/2(24.838.1+24.843.2+38.143.2)=0.04W/cm2 根据图查得，当t=40，q=0.04W/cm2时，其交点正好落在自然冷却范围内，所以采用自然冷却方法就可以满足要求。 若设备的温升有严格限制，假设只允许10，由图可以看出，需强迫风冷才能 满足要求。,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page46,冷却方式的选择： 根据热流密度与温升要求，按图所示曲线关系，此方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却,O-Net Communications CO., LTD.,.,Page47,密封机箱的热设计计算 密封机箱所有表面所散发的热量在工程上可近似用下式来估算： T 密