散热设计规范机械

1、散热设计规范标准化版本更新说明：1、正式阪：标准化资源库中版本为准；2、过程版本更新：结构工程师在拟制版本中查询，避免在发布周期内重复发生类似问题；3、更新记录：在拟制版本中更新，变更必须要求做记录，内容如下表格；4、审核：更改内容，需要通过结构室内的专业评审；6、更新方式：走CPC“技术标准化更新、签批和发布流程”5、版本号：在正式发布时，升级版本号；6、变更批准人：结构室 室主任/标准化委员。序号版 本变更内容提出人日 期1V1.0初版1、目的： 为了规范产品的散热设计过程，确保产品的散热设计质量和生产适应性，达到设计标准化，提高结构效率，提高散热设计准确性，避免重复劳动，及出现重复出现设

2、计问题,特制定本规范。2、适用范围： 本规范适用于AV研发所带明显热源的产品的散热设计标准化。3.标准化内容范围： 1散热设计流程2散热结构设计标准3FLOTHERM软件使用标准化4常用材料参数设置标准56附：FLOTHERM常用名词翻译表； 主要元器件封装形式表4. 散热设计流程标准化： 散热设计属系统级的设计，其在产品设计过程中最佳的介入时段在产品设计的初期结构布局阶段。其设计结合电路、结构及散热需求完成并指导产品的结构布局。 详细流程及工作如下所示：设计阶段流程工作内容责任人输出文档 立项阶段1.设计温度规格硬件工程师1.散热设计输入清单2.收集主要元器件规格书3.主要元器件实际发热功率

3、4.初步电路LAYOUT文件5.初步结构布局图档结构工程师6.结构材料明细概要设计阶段1.确定系统散热方式散热工程师2.优化元器件选择及安装3.选择散热器种类及形状4.风扇初步选用5.风道及散热孔初步优化6.PCB布局初步优化7.结构布局初步优化详细设计阶段1.设置仿真环境散热工程师1.散热设计材料优化清单； 2.结构优化布局图3.各项优化数据2.模型导入及简化3.材料、热阻设置4.网格划分5.收敛运算控制6.图形化运算结果7.散热优化设计设计验证阶段1.结构修改结构工程师温度测试报告2.电路修改硬件工程师3.手板制作结构工程师4.温度实测测试工程师 方案 输出1.确定最终优化方案 4.2 概

4、要设计阶段 确定系统各项需求后根据以下规范对系统进行概要设计 4.2.1 确定系统散热方式 散热设计工程师根据客户要求或初步结构布局确定散热模式，常用散热模式分自然散热，强迫风冷、液体冷却等。 自然散热：主要靠自然对流将热量带到周围空间，适合发热功率不大，温度要求不高的场所。 优点：结构简单，无噪音，价格低廉。 强迫风冷：适用于发热功耗大的器件，强迫风冷效率高，一般为自然散热反方式的数倍，优点：效率高。缺点：易产生噪音 液体冷却：适用于发热功耗大的器件，效率高。优点：效率高，噪音低或无。缺点：成本高。根据计算热流密度可判断系统所需的散热形式：计算方式：将元件的功耗除以散热器表面积可得热流密度。

5、选用原则参照以下规范：对于通风条件较好的场合：散热器表面热流密度小于0.039W/CM2 可采用自然风冷对于通风条件较恶劣的场合：散热器表面热流密度小于0.024W/CM2 可采用自然风冷对于通风条件较好的场合：散热器表面热流密度大于0.039W/CM2 而小于0.078 W/CM2，必须采用强迫风冷对于通风条件较恶劣的场合：散热器表面热流密度大于0.024W/CM2 而小于0.078 W/CM2，必须采用强迫风冷如对表面温度有明确温升限制的情况，可根据下表内选择散热模式：4.2.2.选择合理元器件：优先选用散热性能较好的元器件不同的封装形式元件的散热性能有较大差别，元件的热阻可从元件的规格书

6、中获得，在设计允许的条件下优选热阻较小的封装形式。4.2.3.对元器件进行降额使用在平衡成本的前提条件下可降低元器件的功率，以此增大元器件的参数余量，减少发热。一般降额系数取0.50.8之间。4.2.4.科学的安装元器件 A）电阻； 大尺寸水平安装、预留足够的变形空间、贴片下面预留0.13-0.16mm热阻最小B）变压器下面留孔，表面发黑4.2.5. 合理选用散热器 散热器种类繁多，合理的选用散热器可以提高散热效率降低成本。 a.常用的散热器 常用散热器有铝挤型，钣金冲压，热管，陶瓷散热器等。价格水平一般: 陶瓷散热器钣金冲压铝挤型铝挤型热管 陶瓷散热器一般用于辐射式散热 b.常用的肋片形状设

7、计 4.2.6. 表面染黑对散热的影响 物体的表面黑度对辐射散热有明显的影响，设计时遵循以下原则： 1.对于自然对流散热，在表面温度高于50度的情况下，增加黑度可有效增大辐射散热，提高散热效率。2.对于强制对流情况，辐射散热作用微弱，可忽略黑度的影响；3.对于表面温度低于50度的情况，辐射散热作用微弱，可忽略黑度的影响； 4.2.7.减小接触热阻 a.涂薄层导热胶可有效减少接触热阻，增大散热速度 b.增大接触压力（ 200N/CM）亦能减少接触热阻 4.2.8. PCB板散热的合理设计 合理的元器件排布可减少热量的集聚，较快热量的散出。 PCB的覆铜对元件的散热影响明显，可考虑使用大面积地对功

8、率较大的IC进行散热，IC与铜皮接触面尽量不要覆绿油。4.2.9. 合理设计散热孔 通风孔面积计算可根据以下公式计算 散热孔的位置应合理，控制风路遵循以下原则: 4.2.10.合理选用风扇及结构常用风扇有两种：轴流式风扇和鼓风机式风扇，轴流式风扇使用较多。轴流式风扇安装应尽可能利用烟窗效应。 优 差4.2.11. 合理设计风道 风道的设计直接影响产品内部的空气流动，合理的风道设计可提高散热效率。 a、风道必需侧密封，风道流经各主要热源； b、进口形状参考以下设计参数： c、增加紊流器可提高风道的效率： 在考虑以上设计规范同时结合产品结构要求确定大致的散热布局及结构。4.3 详细设计阶段在确定系

9、统的各项模式后，应用FLOTHERM软件进行详细的散热分析及优化建议仿真设计使用FLOTHERM9.1版本或更高，软件可从CPC上获取。 软件使用流程：4.3.1设置仿真环境 根据产品测试要求设置仿真环境参数，软件提供两个设置选项，在相应仿真Project模型树System内“Global System Setting”及“Ambient”。“Global System Setting”设置对应求解域以外的环境参数，“Ambient”设置对应求解域内的环境参数 大气压设置1个标准大气压，“Ambient”新建环境参数，可不设置气压，“Heat tranfer coefficient”空气对流换

10、热系数一般设置为56W/(m2k)4.3.2设置求解域： 求解域设置对应自然对流及强制对流两种情况，根据产品的散热模式设置求解域。对于自然散热模式，考虑环境对自然对流影响较大，要求求解域设置标准为： 除重力反方向外,其余按照装置尺寸在各个方向扩大一倍 重力反方向放大两倍尺寸 强制对流求解域设置略大于产品即可，根据实际情况略增大出风口面求解域以防止出现残差。4.3.3 使用CAD模块将3D文件导入 将结构图档通过CAD模块导入软件，软件支持PROE文档直接导入（PRT文档），除SAT格式外不建议其他格式的导入。因仅以坐标形式放置图形，推荐PROE文档使用缺省装配位置，如PROE图纸为非缺省装配建

11、议总装图内新建及复制零件，将新零件图档另存为SAT格式，直接导入复制的PRT档易出现导入错误（PROE内的几何检查错误导致）。4.3.4模型简化 导入图形需做简化方可参与仿真计算，简化原则为：a. 尽量删除对散热模拟没有影响的特征及加强筋，图形越简单越利于运算。b. 软件不支持曲面的处理，对应曲面需简化成方块或斜板。d. 复杂散热孔需简化为开孔板，并设置开孔率。e. 软件不支持风扇斜放，风扇简化成平躺或设置风扇方向倾角。f. 除非复杂的散热片，一般在DB内从新绘制，以方便参数化。散热孔的简化4.3.5PCB及元件的建模 PCB尽量使用FLOEDA模块处理，此模块可导入的PCB可自动完成PCB板

12、层处理及各元器件的网格划分，以此减少网格划分的工作量，但会相应增加网格数量。 FLOEDA支持*.emn ，*.emp文件导入，此文件可向Layout工程师索取。IC设置时根据IC的实际封装设计热阻，复杂IC建议使用双热阻模型。热阻参数可有IC规格书内获取。4.3.6对导入模型进行网格划分 为方便进行运算，软件需对求解域进行网格划分，将系统划分为细小矩形区域分别进行运算，以此得出系统运算结果，软件自带四种网格划分类型“None, Coarse, Medium, Fine”。第一类“None”,所描述网格是按照物体几何边界而生成的，完全将不同物体区分开，避免在同一单元格内有多种物体存在，提高了分

13、析精度。而“Coarse, Medium, Fine”是自动划分，主要是针对产品设计初期方案。建议使用“None”模式，可尽量避免网格划分不合理带来的收敛问题。 a.网格比例划分标准 b.局域化网格划分规范 目的在于有效提高求解精度。对于重点关注的物体，需要单独加密网格，达到较高的精度。对物体进行局域化，首先建立物体各个方向上的网格约束（Grid Constraints），根据求解精度目标，确定网格约束的设置参数。在其设置中选项中，Minimum Size用来控制最小网格长度参数，当网格小于此值时就自动消除。在“Number of Cell control”中，可以设置最小单元数或最大单元尺寸

14、长度。在该菜单中，还可以选择膨胀设置“Inflation”，所谓的膨胀就是将网格空间在各方向设置放大，用于矢量变化较快的位置，比如Heatsink,Fan进出口位置等，增加网格密度，详细描述参数变化，减少残差累积。膨胀设置可以针对Low side和High side单独设定，并规定膨胀尺寸空间和网格的数量。需要强调一点的是，任何网格约束（包括膨胀部分）局域之间可以包容或者相临，但不能部分重叠，否则软件在自检时自动会取消一个网格约束。并避免斜板及风扇与局域化网格相交。总网格数量尽量控制在100万个左右，网格太大运算会很慢。4.3.7模型求解运算及收敛控制 收敛曲线表征求解的正确性，理论上要求残差

15、曲线收敛于1，温度曲线平稳，个别模型残差曲线收敛在10一下，温度曲线平稳时亦可视为收敛。 如运算无法收敛可按以下方式进行检查n 通常情况下,如果收敛慢就需要终止计算进行调整模型 n 检查模型错误,比如在密闭系统中装有离心风扇或进入系统的热无法向外传递n 在残差大的区域检查网格 网格不足无法捕获详细信息n 检查本身不稳定性- 用监控点来追踪不稳定区域n 用监控点和残差场来分析低位震荡或低位稳定- 通常不需要再做修改 各种残差曲线图 4.3.8散热优化设计 在获得一个可收敛的模型，通过Visual Editor模块查看产品内的空气粒子流可知产品的空气流动情况，如图所示： 通过图形化显示可知主要气体

16、流动并未流经主要发热元件，在此结果的指导下，通过增加筋位的方式形成风道控制气体流动方向，对散热结构进行优化。对散热影响不直观的因素可通过使用command center进行散热优化，软件以参数化的形式描述产品的每个特征，我们根据所关注的对象进行参数设置。设计优化对象一般以散热片，风道，通风口位置开孔率为主，例如：散热片的肋片数量，散热孔的位置，开孔率，各项散热元件的材料等。通过赋予参数范围，软件自动生成各种参数组合进行运算，通过运算结果形成求解的分布面，由求解的分布情况推算出最优参数组合。最优组合以此得出最佳的设计优化参数。其精度取决于运算组合的数量，一般不少于10个运算组合。 4.3 设计输

17、出在获得最优运算结果后对此组优化数据进行实物测试，以验证设计结果。通过实测验证，修改产品的结构及电路布局，完成散热优化设计4.4常用材料参数设置标准: 常見封裝的結殼熱阻Rjc C/WSOIC 20 to 42TQFP 5 to 11PBGA 4 to 9Tape BGA 1 to 2FC BGA 1 to 2 常用工程材料属性材料名称质量密度(kg/m3)热扩张系数(/Kelven)比热(J/(kg.K)热导率(W/(m.k)6061 Alloy (GB) 2.70E+032.40E-051.30E+03170.00 6061-O (GB) 2.70E+032.40E-058.96E+021

18、80.00 6061-T4 (GB) 2.70E+032.40E-058.96E+02154.00 6061-T6 (GB) 2.70E+032.40E-058.96E+02166.90 6063-O (GB) 2.70E+032.34E-059.00E+02218.00 6063-O, Extruded Rod (GB) 2.70E+032.30E-059.00E+02218.00 6063-T1 (GB) 2.70E+032.34E-059.00E+02193.00 6063-T4 (GB) 2.70E+032.34E-059.00E+02200.00 6063-T5 (GB) 2.70E

19、+032.34E-059.00E+02209.00 6063-T6 (GB) 2.70E+032.34E-059.00E+02209.00 6063-T6, Rod (GB) 2.70E+032.30E-059.00E+02209.00 6063-T83 (GB) 2.70E+032.34E-059.00E+02201.00 7075-O (GB) 2.81E+032.40E-059.60E+02173.00 7075-T6 (GB) 2.81E+032.36E-059.60E+02130.00 7075-T6, Plate (GB) 2.81E+032.40E-059.60E+02130.0

20、0 Alloy Steel (SS) 7.70E+031.30E-054.60E+0250.00 Cast Alloy Steel 7.30E+031.50E-054.40E+0238.00 Cast Carbon Steel (SN) 7.80E+031.20E-055.00E+0230.00 Cast Stainless Steel 7.70E+031.50E-055.20E+0237.00 Chrome Stainless Steel 7.80E+031.10E-054.60E+0218.00 Galvanized Steel 7.87E+030.00E+000.00E+000.00 P

21、lain Carbon Steel 7.80E+031.30E-054.40E+0243.00 Wrought Stainless Steel 8.00E+031.10E-055.00E+0219.00 Stainless Steel (ferritic) 7.80E+031.10E-054.60E+0218.00 Alumina 3.96E+037.40E-068.50E+0230.00 Copper 8.90E+032.40E-053.90E+02390.00 Brass 8.50E+031.80E-053.90E+02110.00 Nylon 101 1.15E+031.00E-061.

22、50E+030.53 ABS 1.02E+030.00E+001.39E+030.23 ABS PC 1.07E+030.00E+001.90E+030.26 Acrylic (Medium-high impact) 1.20E+035.20E-051.50E+030.21 Nylon 610 1.40E+033.00E-051.50E+030.53 PA Type 6 1.12E+030.00E+001.60E+030.23 PBT General Purpose 1.30E+030.00E+001.42E+030.27 PC High Viscosity 1.19E+030.00E+001

23、.54E+030.19 PE High Density 9.52E+020.00E+001.80E+030.46 PE LowMedium Density 9.17E+020.00E+001.84E+030.32 POM Acetal Copolymer 1.39E+030.00E+001.38E+030.22 PP Copolymer 8.90E+020.00E+001.88E+030.15 PS MediumHigh Flow 1.04E+030.00E+001.69E+030.12 PVC 0.007 Plasticized 1.29E+030.00E+001.60E+030.16 PV

24、C Rigid 1.30E+030.00E+001.36E+030.15 Very Low Density PE (SS) 9.05E+020.00E+001.84E+030.32 Perspex (TM) GS Acrylic Cast Sheet 1.19E+030.00E+000.00E+000.00 PTFE (general) 2.32E+030.00E+000.00E+000.00 Beryllium (Be) 1.84E+031.15E-050.00E+00216.00 Cobalt (Co) 8.90E+031.20E-054.20E+0269.00 Molybdenum (M

25、o) 1.00E+045.00E-062.70E+02150.00 Nickel (Ni) 8.50E+031.70E-054.60E+0243.00 Pure Gold 1.90E+041.40E-051.30E+02300.00 Pure Lead (Pb) 1.10E+045.30E-051.30E+0235.00 Pure Silver (Ag) 1.10E+042.00E-052.30E+02420.00 Air（空气） 1.10E+000.00E+001.00E+030.03 Ceramic Porcelain（陶瓷） 2.30E+031.08E-058.78E+021.49 Gl

26、ass（玻璃） 2.46E+039.00E-068.35E+020.75 Rubber（橡胶） 1.00E+036.70E-040.00E+000.14 Water（水） 1.00E+030.00E+004.20E+030.61 附FLOTHERM常用名词翻译：英文中文单位名词解释specific heat比热J(Kg.K)又称比热容量，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能densiy密度Kg/m3在物理学中，把某种物质单位体积的质量叫做这种物质的密度Conductivity传导率W/(mK)热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的

27、热量Electrical Resistivity电磁辐射Ohm m电磁辐射又称电子烟雾，是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成，而该能量是由电荷移动所产生Roughness粗糙度mm表征下垫面粗糙程度的一个量，具有长度的量纲。Rsurf-fluidKm2/WRsurf-solidKm2/WHeat Transfer Coefficient换热系数W/(Km2)流体与固体表面之间的换热能力，即物体表面与附近空气温差1、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。Radiant Temperature辐射温度deg CAmbient Temperature环境温度deg CGauge Pres

28、sure计示压力Pa垂直作用在单位面积上的力，或流体中单位面积上承受的力Emissivity发射率a物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值。是在0与1之间变化的衡量物体辐射能力强弱的数值。Area Factor面积系数Solar Reflectivity太阳反射率在太阳光波长全部范围内，被物体表面向外反射的太阳能，与射在物体上的总太阳能的比率Swirl Speed转速rad/s描述风扇转速Open Volume Flow-Rate体积流率m3/s描述风扇流量Pressure at Stagnation静压Pa描述风扇指标附主要封装形式主要元件封装图BGABa

29、ll Grid ArrayCPGACeramic Pin Grid ArraySBGALGAEBGA 680LPGAPlasticPin Grid ArrayFBGALBGA 160LuBGAMicro Ball Grid ArrayQFPQuad Flat PackagePBGA 217LPlastic Ball Grid ArrayLQFPPQFPSBGA 192LCLCCLDCCTSBGA 680LLCCPLCCTQFP 100LJLCCSOT26SOT363SOJLQFP 100LSOSmall Outline PackageSSOPMETAL QUAD 100LHSOP28TSOPThin Small Outline PackagePQFP 100LTSSOP or TSOP IIThin Shrink Outline PackageSOHLAMINATE TCSP 20LChip Scale PackagePCMCIASNAPTKLAMINATE CSP 112LChip Scale PackageSNAPTKSNAPZPCERQUADCeramic Quad Flat