设备散热器风扇的选型和设计计算

散热、吸热，还是绝热重要？在这儿之前,有一个很重要的问题要问各位,您了解什么是"热"吗在您选择一项产品之前.您得先觉道您用钞票换得手中的宝贝要解决的是什么物理现象,千万别当了冤大头!"热（Heat）"是能量吗严格来说它不算是能量,应该说是一种传递能量的形式.就好象作功一样.微观来看,就是地域分子受到外界能量冲击后,由能量高的分子传递至能量低的地域分子（就像是一种扩散效应）,必须将能量转嫁释放出来.所以能量的传递,就是热.而大自然界最根本的热产生方法,就是剧烈的摩擦（所谓摩擦生热如是说!）.从电子（量子力学）学的角度而言,当电子束滑过电子信道时，会因为与导线（trace）剧烈摩擦而产生热，它形成一股阻力，阻挡电子流到达另一端（就像汽车煞车的效果是一样的）•我们统称作"废热"•所以当CPU的速度越高，表示它的1/0（1nput/0utput）数越高，线路布局越复杂•就好比一块同样面积的土地上.您不断的增加道路面积；不断的膨胀车流量,下场是道路越来越窄,而车子越来越多,不踩煞车,能不出车祸吗当然热量越来越高.信不信,冷飕飕的冬天,关在房里打计算机,你会爱死它,又有得杀时间,又暖和!只是不巧，炎炎夏日又悄悄的接近了……"传热（HeatTransfer）":既然说热是一种传递能量的形式.那就不能不谈传递的方法了•总的来说整个大自然界能量传递的方法被我们聪慧的老祖先（请记住.热力学ThermalDynamic是古典力学的一种!）概分为三种，接下来我用最浅显易懂的方法分别介绍这门神功的三大根本奥义让各位了解:）热传导（Conduction）物质本身或当物质与物质接触时,能量传递的最根本形式（这里所说的物质包含气体,液体,与固体）.当然气体与液体（我们统称为流体）本身因为结构不似固体紧密.我们又有其它一个专有名词来形容它，叫做热扩散（Diffusion）.假设诸位看官真有兴趣的话，不妨把下面的公式熟记,对以后您专业素养的养成,抑或是将来更深刻的技术,探讨彼此的沟通都非常有援助（这可是入门的第一招式,千万别放弃您当专业消费者的权益了!）.其它,为了预防您一开始走火入魔，请容我先将全部的单位（Unit）都拿掉.Q=K*A*AT/AL其中Q为热量；就是热传导所能带走的热量.K为材料的热传导系数值（Conductivity）;请记住，它代表材料的热传导特性，就像是出生证明一样.假设是纯铜,就是396.4；假设是纯铝,就是240；而我们都是人,所以我们的皮肤是0.38,记住!数值越高,代表传热越好.（详细的材料表我将于日后择篇幅再补述!）A代表传热的面积（或是两物体的接触面积.）△T代表两端的温度差;AL则是两端的距离.让我们来看一以下图标,更加深您的印象!热传导后温度分布铜材的导热系数高,经过热传导后,温度在铜材中分布就非常均匀,相反的,木材的导热系数偏低,于是相同的传导距离,木材的温度分布就明显的不均匀（温度颜色衰减的非常快;表示热量传导性不良.）从上述的第一招式我们可以了解.热传导的热传量.跟传导系数,接触面积成正比关系（越大,则传热越好!）而跟厚度（距离）成反比.好,有了这个观念,现在让我们把焦点转到散热片身上,当散热片与热源接触,我们需要的是"吸热",能够大量的把热吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散热片的底部会加一块铜板不是吗或甚至干脆用铜当散热片底板.就是因为它的热导系数比铝多出将进一倍（当然还有其它技术原因,容我先卖个关子）.嘿,嘿,聪慧的读者,您肯定也发觉了一个问题,散热片的底部厚度好象越来越厚耶!如果照我说的话,那不是传热效果越差了吗如果您会问这个问题先恭喜您!您已经有本领报名英雄大会了.这牵涉到其它一门有趣的课题.因篇幅关系,这一次我并不打算放进来.请诸位海涵!）热对流（Convection）流动的流体（气体或液体）与固体外表接触,造成流体从固体外表将热带走的热传递方法.这一招是三招里面最为博大精深的一招,老祖先依其流体驱动的方法将之转换折成貌和神离的两招,分别是）自然对流（NaturalConvection）:流体运动是来自于温度差.温度高的流体密度较低,较轻会向上运动.相反的,温度低的流体则向下运动.所以是流体受热之后产生驱动力.（这里各位要牢记一件事,只要温差,沿着重力场方向的流体就会开始运动,带走热量!））强制对流（ForceConvection）:顾名思义,流体受外在的强制驱动力如风扇驱动而产生运动.驱动力往那儿吹,流体就往那儿跑,与重力场无关.不是很了解对吧!百闻不如一见,脱掉你宝贝计算机的灰白色夹克.您应该会看到如以下图所示的精采内脏.如此清楚了吗芯片组散热片不加风扇,利用的是自然对流将热量带走,表示热量不高（一般来说介于3瓦~8瓦）•至于CPU则因为热量较高（尤其是桌上型计算机，至少都在30瓦以上）,自然对流的散热量缺乏以带走废热,因此得利用到风扇驱动.至于更详细的各种芯片封装（package）制程，规格资料与散热量的关系（别忘了CPU也是一种封装，只是档次较高!）,还有自然对流及强制对流在散热片设计上的考量差异性,我会在往后的篇幅中以专题的方法撰写.让各位不但对电子散热有所了解,更了解整条电子链的运作模式.看看它的公式吧!为什么说它最博大精深是有原因的.到了这儿,请千万小心,步步都是富贵险中求.殊不知多少江湖英豪;名门侠女都曾栽在这块看似山青湖静,实则风阴涛涌的领域（包含笔者都曾差点儿翻不了身）.一则是从此开始.您才真正进入"散热"的大堂.一则是这里又多了一门至深至幻的学问叫做流体力学（FluidDynamic）•我想试问各位一生中有多少次时机看到风扇是怎么吸空气;又是怎么把空气吹出来的我们换个角度想,要让流体产生运动,一个必要的因素是什么知其然,更要知其所以然,道行高的您或许已开始发出会心的一笑,还不了解的看官也别担忧,这运功炼气可是半点儿急不得.渐纳慢吐,气通任督灌丹田,才是习知之道.Q=H*A*ATQ为热对流所带走的热量.H为热对流系数值（HestTransferCoefficient）.这里是笔者及数字高人商量过后,一致公认散热领域内最虚无飘渺的一个参数了.它既不是材质特性,更不是什么散热标准.说穿了还真有点儿好笑.这是老祖先想破了头还是一无所知的情况下，直接写下的脚注•不信吗敢问诸位高手，只听过H是随着流体状态;流场形式；固体外表形状的影响而改变的"常数"值（例如:垂直方向的平板流H=10~20，最多是个H与速度的几次方成正比关系）,从没看过哪一个方程式是可以解出H值的•（道道地地，不折不扣的"经验值"!!）A代表热对流发生时的"有效"接触面积.这里我要再一次强调.外表积大只是好看,有效外表积也大那才够实在.至于什么是"有效",将来我会举一些活生生的实例给各位看,到时候可别合不拢嘴.散热片的变化无穷,主要在于它的鳍片设计,一个设计良好的鳍片.会内外兼顾,不但跟空气的接触外表积大,而且大的很实在.否则花那种冤望钱,不如自己做一块铜块盖上去不就好了吗当然金属量产的加工制程上有肯定的限制,不同的制造工艺各有其优缺点,有时设计者不得不作一些妥协与让步.△T代表固体外表与地域流体(LocalAmbient)的温度差•这里就更危险了•散热片的设计，一个不小心就会跌入这个要命的陷阱里,它跟上面的所谓"有效"接触面积还真有那么一点关系,我留一点儿空间先不说穿,让各位也想一想.为什么我说到了这儿才算真正开始处理散热问题.因为不管自然对流或强制对流,靠流体把热带走是现下最经济实惠的方法.殊不知地球大气运行时的妙用无穷,我们换一个角度想,能量守恒定律,或许您也能参详一二.周围尽是用不完的空气,不拿它来出出气,怎么说也是暴敛天物,您说是吗下一次我们再谈另一个能量传递的方法(它也是"散热"的一员,只是平常韬光养晦,深藏不露,但发起威来,套句广告词~"凡人无法档").而且角色变化多端,非常有个性,也是笔者最喜欢的一个,请容我在此先搁笔.咱们下次再谈!散热,吸热,还是绝热重要接下来介绍的,可又是散热的一名角儿.只是它的名气没"热对流"来的大,一般说来在主动式散热片(ActiveCooler)的散热比例上占的份量也有限，所以大伙儿常忽略它.可是它在实际生活中扮演的角色可丰富了.您加热时绝对有它,散热时它也有份,当要绝热时,更不能没有它,更夸张的是，少了它，地球的生态环境瞬间就会失衡，看下去吧,向您郑重介绍……)热辐射(Radiation)假设说上一招"热对流"是谓博大精深，那这一招可就真算得上是"清风拂山岗;明月照大江"的太极绝学了.待我解释完，您就了解我开头所述句句真言，绝无诳语.别看它又清风，又明月的.真发起来，那可是招招重手，决不留情.(您以为炎炎夏日太阳的热情是靠热传导或热对流招呼到您身上的吗再举个更生活的例子，没用过也看过灯管式电暖气吧再告诉您一个小秘密，笔者求学时就曾经利用180瓦的工地用卤素大灯两个煮三人份的火锅，不盖你，这些都得拜热辐射所赐!)这说完它加热的好处，我留一点篇幅稍后再解释它与散热，绝热的关系.让我们先把焦点转回它的原理上.有人曾问笔者，热辐射是不是放射性的a，b，g辐射波，您说呢那可是对任何生物都会造成损害性的辐射线耶!不要疑心，虽不中亦不远矣，它们还真有血源关系呢，这一部份因为是笔者最喜欢的一种散热方法，也是当今能参透这门绝学的人少之又少(包含笔者也不是)，是以笔者不得不一吐为快，交代清楚，以免让各位越看越模糊，热辐射是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下,不需要靠接触，就能够达成热交换的传递方法•一种我戏称为"热数字讯号"(ThermalDigitalSignal)的波的形式达成热交换.既然是波，那就会有波长,有频率，而所谓波的能量，就是频率乘上一个叫做普郎特的常数(Planek'sConstant)，既然跟频率有关,那好,频率的大小依次是Gamma射线,X射线,紫外线，可见光,红外线，微波…而热辐射能量就介于紫外线与红外线之间，所以还算排行老三呢，但光是如此就让你在7月中午的太阳下站不住五分钟了吧!其实您还得感激地球上有大气层，空气和水分子，这些介质帮我们汲取掉了不少能量呢!好，咱们再回到主题，既然不需要介质，那就得靠物体与物体外表的热汲取性与放射性来决定热交换量的多寡•我们统称为物体外表的热辐射系数(Emissivity),其值介于0~1之间，是属于物体的外表特性，有一点儿像热传导系数(Conductivity)都属于材料特性.(其实汲取性(率)与放射性(率)是一样的，我稍后解释.严格来说，物体外表的热辐射特性有三种，分别是汲取率，反射率和穿透率.这三者加起来的值和为1，像是玻璃，它的能量穿透性很强，所以相对的汲取性与反射性便较弱).让我们看一下它的公式吧Q=e's'F'A(T4)Q为物体外表热幅热的热交换量.我在这儿强调是热交换量而不是带走的热量.因为公式本身牵涉到两个外表在进行辐射热交换,当假设其中一个外表不存在时,则存在的外表便假设是与某一有限远的固定大气温度进行热交换.e物体外表的热辐射系数(Emissivity)，其值介于0~1之间,是属于物体的外表材料特性，这一局部当物质为金属且外表拋光如镜时,热辐射系数只有约0.02~0.05而已,而当金属外表一但作处理后(如外表阳极处理成各种颜色亦或喷漆,则热辐射系数值马上提升至0.5以上,如以下图所示当散热片外表处理成绿色后,热辐射系数值马上由0.03提升至0.82.处理前处理后而塑料或非金属类的热辐射系数值大部份超过0.5以上,s是波次曼常数5.67*10-8，只是一个常数.F是里面最玄的一个，洋文叫做ExchangeViewFactor，中文应该说成是辐射热交换的视角关系,它其实是一个函数,一个跟两个外表所呈角度,面积,及热辐射系数有关的函数.非常复杂,笔者在此不敢再写下去，以免各位看官承受不住.A(T4最后这个算是最好说的，但也最简单被一般刚入江湖的年轻人弄错的.它正确的写法如笔者框红线所示，是(Ta4-Tb4)而不是(Ta-Tb)4,.这其中Ta是外表a的温度而Tb是外表b的温度。嘿!嘿!如何.写到这儿，如果您是属于完全领悟参透型的高手，那笔者不但恭喜您，而且信任您肯定也是一位玩热的专家，假设您是属于不知笔者所言为何物型的看官也别焦急，看看下面的照片或许能加深您的印象：IntelPentiumIV的CPU在红外线摄影机下拍到的热像就是那样，金属帽因为热辐射系数低，相对热辐射量就小，所以颜色温度低，而芯片基板上外表是接近树脂材料所以热辐射系数较高，相对热辐射量就大，温度颜色就高.如此，懂了吗热辐射所以热辐射的定义是如果物体本身是一个好的辐射散热体，那相对的它也绝对会是一个好的辐射吸热体，这吸热与散热就端看物体外表本身的温度与周围或其它一个物体外表的温度是高是低.假设是高，则热便会藉由热辐射散出去，反之热就会被汲取进来.而通常在热对流效应相对很强的情况下(尤其是装风扇的CPUCooler)，热辐射量相对就有限,它与之前所说的热对流散热效应比较起来，几乎是可忽略的一环.但是，反过来说，像部份芯片的被动式散热片(ChipsetHeatsink),它的热对流散热效应较不明显，反而会使得热辐射散热效应相对提高,有时甚至会占超过30%的总散热量.这儿之所以我们称它散热的原因，就是因为我们所谈的散热片都是装附于热源上，通常它的温度都会比周围环境温度要高出许多.而至于绝热呢我想我也提出一些问题让各位想一想，保温瓶内为什么要用绝热体包附水银胆呢给您一个提示~亮面如镜的水银胆反射率可是非常高的喔.那像卫星呢没有大气层的水及空气爱护汲取太阳的辐射热，不会有过热的问题吗卫星上一样有高周密的电子组件，耶!重点就在于卫星面向太阳的外表有一层反射率非常高的披覆层爱护着，让太阳的热辐射量，除了太阳能板之外，几乎全部反射回去，以减少热辐射量的穿透跟汲取.各位聪慧的看官，说到这儿，您认为是吸热，散热，还是绝热重要呢您是否对"热"这个现象已有初步的概念了呢别焦急，将来有一天你也会跟笔者一样对它又爱又恨的呢!话又说回来，吸热，散热，绝热其实各有所长，也各有其应用于热的时机，端看您的应用领域而有所区别，其实，大部份时候它们还是相互交会运用的时机较大呢!好，我假设各位对所谓的热传递形式热传导(Conduction),热对流(Convection),热辐射(Radiation)都有了初步的认识,让我帮各位整理一下思绪,把焦点转回到CPUCooler的根本架构上,一块一块的剖开来定义清楚,现在让我们进入到下面的这张图片去:风扇:热对流组件,功能上就在于驱动空气灌入下方的散热片中,利用新奇且大流量的冷空气灌入，并加上风扇本身驱动流场的甩动特性，提高了之前所提到过的热对流系数值(HestTransferCoefficient).藉此提高热对流的散热效果淇所占散热的比例份量最重，算是散热界当红的炸子鸡.扣具:严格说，它算是机构组件,不是散热组件•主要是将散热片扣合在CPU的外表上，但研究发觉,当散热片底板与热源接触面受力越大,则固体外表间的接触热阻抗越小,所以,扣具的研发，也渐渐转型为针对散热片受力均匀性为重点.既然牵涉到接触阻抗，那就牵涉到散热片底部的吸热能力，所以，扣具也算是半个热传导组件.散热片(鳍片部份):我们细分这个部份，它算是连接(吸热)热传导与热对流及热辐射(散热)的最重要管道，因为散热的三大最根本条件就是"面积，面积，面积"，读者可参详Part2与Part3的内容公式便知，这散热片的技术与工艺主要就在这儿，其次，外表阳极处理也是一个非常重要的工艺，它不仅仅是设计上的美观，更牵涉到辐射热交换量的多寡，所以，鳍片设计的好坏，直接决定了产品的生死.当然各种不同的机械加工产品各有其设计上的考量(有的是以吸热为主;有的是以散热为主)，但假设程度差太远，那就很惋惜了，笔者见到坊间不少不忍目睹的散热器，想想，铝条假设有知，也肯定会暗自掉泪吧!散热片(底板部份):热传导组件，这儿是纯粹就吸热而言，决定底板的好坏，先要了解问题的毛病在那儿，吸热的致命关键就在克服与热源的接触热阻(ContactResistanee)及热传到底板之后的扩散热阻(SpreadingResistanee),所以,底板的设计可也是丝毫苟且不得的.殊不知全部的源头就在于热如何被有效的带出来，连源头都处理不好，更别谈接下来的散热了.看官们可以参照产品评估汇报，相互比较，便知其中微妙.更可以加深您的印象，让您向专家之路再迈进一大步.热导介质:也是热传导组件，坊间有不少导热胶片或导热膏产品，姑且不管其好坏，它的功用就在于克服金属接触面的微小缝隙，别小看它薄薄的一片，您假设不怕CPU冒烟的话，下次换一般黏土玩玩看，保证有趣的要命，(笔者曾测试过，那种坐云霄飞车的快感，保证让您难忘又伤心好一阵子)，至于导热胶片好还是导热膏好，并没有肯定，但效果好是最重要的，将来笔者会针对一系列不同材料评估比较给您了解.CPU:热源,这边假设细谈会牵涉到封装制程,要说好一阵子(包含全部的封装演进史与开展过程)，笔者再选适当时间表达.(8)Socket与主板，这儿笔者之所以要把这两项放在一起谈，就是因为散热的考量,其实，热源所释放的热，有10%以上是往下经由Socket从主板被带走的，告诉您一个重点，主板是一块非常大的散热板，笔者见过不少系统都有直接(或间接)针对主板强大的散热能力上作文章的•这其中不止PC产品而已，包含液晶投影机，电源供给器(不断电系统),网络数据交换机….都曾对主板这帖不可多得的散热药材下过一翻工夫.说到这儿，必须对这次的主题下一个结语了，单刀直入，散热还是您我最关怀的重点，但在还没散到热之前，必须解决的是吸热的问题，至于绝热呢，还不到时候，多想无益.往后，笔者会针对吸热与散热的重点(当然是深刻浅出，而且包容万象)一五一十表达，让大家从此踏入这个领域，一窥这百家争鸣的热闹与明亮.坐稳了.引擎一旦激活，您就只能睁大眼，张大嘴，竖起耳多跟着我这个导游一起体会这无限的热疆界

资料1散热冃入八、、在一般的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功耗也逐渐变大，例如：Intel的奔腾CPU的功耗可到达25W。当自然条件的散热已经不能使芯片的温升操纵在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片外表热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。通常条件下，热量的传递包含三种方法：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方法或者二者的同时使用。散热器通过和芯片外表的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的外表使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器外表，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。与电路计算中最根本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最根本的公式：温差=热阻x功耗在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻，散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在，在散热器和空气之间就产生了肯定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样，散热器与芯片外表之间也会存在肯定的热阻。热阻的单位为。C/W。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。下面举一个电路设计中热阻的计算的例子来说明：设计要求：芯片功耗：20瓦芯片外表不能超过的最高温度：85C环境温度〔最高〕：55C计算所需散热器的热阻。实际散热器与芯片之间的热阻很小，取01C/W作为近似。则〔R+0.1〕x20W=85C-55C得到R=1.4C/W只有中选择的散热器的热阻小于1.4C/W时才能保证芯片外表温度不会超过85Co使用风扇能带走散热器外表大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例：风速〔英尺风速〔英尺/秒〕03.51002.82002.33002.04001.8热阻〔C/W〕散热2我用78057810如何计算散热片尺寸？以7805为例说明问题。设l=350mA,Vin=12V,则耗散功率Pd=（12V-5V）*0.35A=2.45W按照TO-220封装的热阻8JA=54°C/W，温升是132°C，设室温25°C，那么将会到达7805的热爱护点150°C,7805会断开输出。正确的设计方法是：首先确定最高的环境温度，比方60C，查出民品7805的最高结温TJMAX=125°C,那么同意的温升是65°C。要求的热阻是65°C/2.45W=26°C/W。再查7805的热阻，TO-220封装的热阻0JA=54C/W，TO-3封装〔也就是大家说的“铁壳〃〕的热阻0JA=39C/W，均高于要求值，都不能使用〔虽然达不到热爱护点，但是超指标使用还是不对的〕。所以不管那种封装都必须加散热片，资料里讲到加散热片的时候，应该加上4C/W的壳到散热片的热阻。计算散热片应该具有的热阻也很简单，与电阻的并联一样，即54//x=26,x=50°C/W。其实这个值非常大，只要是个散热片即可满足。国产散热器厂家其实就是把铝型材做出来，然后把外表弄黑。热阻这种最根本的参数他们恐怕从来就没有听说过。如果只考虑散热功率芯片的输入输出电压差X电流是芯片的功耗，这就是散热片的散热功率。散热3热设计由于电源模块的转换效率不可能是100%，因此自身有肯定的功耗，电源模块本身发热的上下，主要取决于电源模块的转换效率。在肯定外壳散热条件下，电源模块存在肯定的温升（即壳温与环境温度的差异）。电源模块外壳散热外表积的大小直接影响温升。对于温升的粗略估量可以使用这样的公式：温升=热阻系数'模块功耗。热阻系数对于涂黑紫铜的外壳P25XXX（用于SMP-1250系列产品的外壳）来说约为3.76P/W。这里的温升和系数是在模块直立，并使下方悬空1cm，自然空气流动的情况下测试的。对于温度较高的地方须将模块降额使用以减小模块的功耗，从而减小渐升，保证外壳不超过极限值。对于功率较大的模块，须加相应的散热器以使模块的温升得到下降。不同的散热器在自然的条件下有不同的对环境的热阻，主要影响散热器热阻的因素是散热器的外表积。同时考虑到空气的对流，如果使用带有齿的散热器应考虑齿的方向尽量不阻碍空气的自然对流，例如：当使用的模块输出功率为100W，效率为82%时，满载时模块的功耗为：100/0.82-100=22W,选用附件中WS75(75W)散热器，其热阻为1.9P/W，不考虑原外壳的横向散热，自然散热的温升为1922=429。散热3包含热模型的新型MOSFETPSPICE模型FilippoDiGiovanni,GaetanoBazzano,AntonioGrimaldi意法半导体公司StradalePrimosole,50-95121-Catania,ITALY :电邮：Email:摘要：功率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严峻，这种功率转换器的设计对现代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件的电模型更加重要，本文提出一种新的Pspice模型，可以利用它计算MOSFET芯片在瞬变过程中的温度。本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到。本文介绍MOSFET的一种新的PSPICE等效热模型，这个模型提供发热和电气参数之间的动态关系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、负载、以及散热器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损耗的参数参差不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由於无法预先觉道功率损耗而无法进行。引言散热器在计算时会出现误差，一般说来主要原因是很难精确地预先觉道功率损耗，每只器件的参数参差不齐，并不是一样的，而且在芯片上各处的温度也是不同的。结果是，平安的裕度可能离开最优值很远。现在出现了很多功能很强的模拟仿真工具，因此有可能在预测功率损耗和热设计的校核方面做一些改良。然而，为了确保长期可靠性，运用复杂的限流技术可以更进一步地把最高结温〔或者最大功率损耗〕维持在一个预定的数值以下。动态负载变化所引的任何热响应的改变都可以直接地进行测量，并且用闭路操纵的方法来修正。热阻发散出去的功率Pd决定於导热性能，热量流动的面积以及温度梯度，如下式所示：Pd=K*An・dT/dx (2.1)式中An是垂直於热量流动方向的面积，K是热导，而T是温度。可是这个公式并没有甚麽用处，因为面积An的数值我们并不了解。对於一只半导体器件，散发出去的功率可以用下式表示：Pd=AT/Rth(2.2)以及Rth=AT/Pd(2.3)其中AT是从半导体结至外壳的温度增量，Pd是功率损耗，而Rth是稳态热阻。芯片温度的升高可以用式(2.2)所示的散热特性来确定。考虑到热阻与时间两者之间的关系，我们可以得到下面的公式：Zth(t)=Rth・[1-exp(-t/t)](2.4)其中(是所商量器件的半导体结至外壳之间的散热时间常数，我们也认为"Pd"是在脉冲出现期间的散发出去的功率。那麽，我们可以得到：AT(t)=Pd・Zth(t)(2.5)如果Pd不是常数，那麽温度的瞬态平均值可以近似地用下式表示：AT(t)=Pavg(t)・Zth(t)(2.6)其中Pavg(t)是散发出去的平均功率。作这个假定是合情合理的，因为瞬态过程的连续时间比散热时间常数短。由於一只MOSFET的散热时间常数为100ms的数量级，所以一般这并不成其为问题。热阻可以由产品使用说明书上得到，它一般是用“单脉冲作用下的有效瞬态过程的热阻曲线〞来表示图1Zth(t)瞬态热阻SPICE的完成本文提出的模型使用一种不同的PSPICE模拟量行为模型〔ABM〕建模技术。事实上，利用这种建模方法，使用者可以用数学的方法建立模型，不必使用更多的资源。可以看到，由SPICE内的MOSFET模型，并不能以温度结点的形式直接得到温度。然而，可以用图4中所示的“窍门〞来解决这个问题。为了做到这点，把MOSFETM1表示成为一个一般的Level-3MOS模型加上一个电路。晶体管M1仅仅是“感知〃温度，温度是指通用的SPICE变量“Temp〃。为了评价温度对漏极电流的影响〔由M1我们只能够确定在温度“Temp〃例如在27°C时，电流随著漏极电压的变化〕，增加了电路G1。这部份电路可以看成是电流受操纵的电流产生器：Id(G1)=Id(M1)・f(VGS,VDS,Tj,VTH,)(3.1)在式(3.1)中的数f的数学表达式可以从器件的输出特性通过内插法很简单得到。它与M1的模型有关，因而可以建立模拟量行为模型〔ABM〕。计算Tj(t)当大功率MOSFET工作在重复脉冲或者单脉冲的情况下，了解了平均功率损耗，然後将功率损耗乘以热阻Zth(t),就可以得到模型的温度。在电路中，热阻Zth(t)的数值是用电压来表示的，使用的符号为V(Zth(t))。参看模型G2，现们来计算M1的瞬时功率损耗：Pd(t)=VDSG1(t)・IDG1(t) (4.1)其中IDG1(t)=IdM1(t)・f(VGS,VDS,Tj,Vth,)(4.2)在式(4.1)中，Pd(t)是“ELAPLACE〃的输入量。"ELAPLACE"起积分的作用，於是得到消耗的能量E(t)；由此可以得到平均功率损耗如下Pave(tk)=E(tk)/tk (4.3)Pave(tk)当然是与时间有关的，因为这个参数是随著模拟仿真的进行而改变的。因此，平均功率损耗Pave(tk)是变化的，它代表从模拟仿真开始到时刻tk这段时间的功率损耗的平均值。热阻曲线Zth(t)可以以不同方法纳入到这个模型中。我们可以把单个脉冲响应用於Cauer或者Foster网络。我们也可采纳a)列表来表示，b)电压产生器VPULSE,c)一种鼓励电压产生器。芯片温度增高的平均值ATj-c(t)决定於Pave(t)，再乘上Zth(t)。因此Tj-c(t)可以用下式表示：Tj-c(t)=Pave(t)•Zth(t).+Tcase(4.4)其中Tcase取等於环境温度。模拟仿真结果及测量结果在栅极驱动信号为不同类型的情况下进行了模拟仿真。下面图中的曲线是模拟仿真的结果。这些模拟仿真的结果是用新的SuperMESHTMSTP14NK50ZFP高电压MOSFET测量得到的，MOSFET是装在绝缘的外壳中。这种MOSFET器件是用本公司专有的MeshOverlayTM技术的经过优化而制造的产品。下面是它的主要性参数：BVDSSRDS(on)STP14NK50ZFP(TO-220FP) >500V <0.38在很宽的温度范围上进行了测量，测量结果如图7示。图2不同温度Tj时的输出特性曲线(实测结果)图3在不同的Tj时的输出性曲线(模拟结果)图4电路图图5在10V时的RDS(on)(模拟结果)图6在10V时的RDS(on)(实测结果)图7在10V时的VDS(on)(模拟结果)图8在10V时的VDS(on)〔实测结果〕图9(从上至下)：A)Tj随时间的变化B,C)漏极电流结论本文介绍了大功率MOSFET的一种新型的PSPICE电路模型，其中包含热模型，利用这个模型，设计人员可以确定硅芯片在瞬变过程中任何给定时刻的平均温度。这个电路包含电气特性和热特性之间的动态关系。唯一需要的输入参数可以很简单地从制造商提供的产品说明书中得到。这些参数是热阻、RDS(on)随温度的变化，等等。这个模型也可以用於其它的半导体器件，包含双极型晶体管。可以信任，这里提出的模型可以用於对器件的热性能进行全面的分析，从而改良它的长期可靠性。致谢本文作者借此时机感激在Catania的MOSFET和IGBT产品技术和市场部的珍贵建议和支持。参考文B.J.Baliga,ModernPowerDevice.Dr.P.Turkes,Dr.M.Mrz,P.Nanee,SPICEModelsforSIPMOSComponentsApplieationNote.JonMarkHaneoekSiemensMieroeleetronicsAHierarchicalCross-PlatformPhysiesBasedMOSFETModelforSPICEandSABER.Dr.JohnW.SofiaFundamentalsofThermalResistaneeMeasurement.Dr.JohnW.SofiaElectricalThermalResistaneeMeasurementsforHybridsandMulti-ChipPackages.技术交流__202X年1月30日资料5传热过程中的根本问题可以归结为：1、 载热体用量计算2、 传热面积计算3、 换热器的结构设计4、 提高换热器生产能力的途径。解决这些问题，主要依靠两个根本关系。〔1〕热量衡算式依据能量守恒的概念，假设忽略操作过程中的热量损失，则热流体放出的热量等于冷流体取得的热量。即Q热-Q冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。〔2〕传热速率式换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率，以Q表示，其单位[W]。实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差Atm及传热面积S成正比，即：Q=KSAtm (3-1)S=nndL (3-2)式中：Q—传热速率，W；S—传热面积，m2；△tm—温度差，0C；K—传热系数，它说明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2・°C；n—管数；d—管径，m；L—管长，m。假设将式〔3-1〕变换成以下形式：Q/S=Atm/(1/K) (3-3)式中：Atm—传热过程的推进力，°C1/K——传热总阻力〔热阻〕，m2・CW则单位传热面积的传热速率正比于推进力，反比于热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推进力和降低热阻。另一方面，从式〔3-1〕可知，如杲工艺上所要求的传热量Q己知，则可在确定K及Atm的根底上算传热面积S,进而确定换热器的各局部尺寸，完成换热器的结构设计。本章主要介绍应用这两个根本关系解决上述四个问题。介绍的范围以稳定传热为限。所谓稳定传热是指传热量与时间无关，即每单位时间内的传热量为定值。反之，传热量随着时间而变的则是不稳定传热，一般在化工连续生产中都属稳定传热。就传热机理而言，任何热量传递总是通过传导、对流、辐射三种方法进行的。传热可依靠其中一种方法或几种方法同时进行，净的热流方向总是由高温处向低温处流动第三节传热计算间壁式传热是食品工业中应用最广泛的传热方法。在绝大多数情况下，这种传热是大规模连续进行的。在这过程中，不管是热流体，还是冷流体或固体壁面，各点的温度不随时间而变，故属于稳定传热过程。我们主要商量稳定过程。传热计算主要有两方面内容：一类是设计计算，即依据生产要求的热负荷确定换热器的传热面积；另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量，流体的流量或温度等。二者均以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算的根底。一、 热量衡算对间壁式换热器作能量衡算，因无外功参加，且位能和动能项均可忽略，故实际上为焓衡算。焓差法Q=qm,h(Hh1-Hh2)=qm,c(Hc2-Hc1)式中qm 质量流量，kg/sH--单位质量流体的焓，J/kg显热法潜热法二、 总传热速率方程〔一〕总传热速率方程如前所述，两流体通过管壁的传热包含以下过程：热流体在流动过程中把热量传给管壁；通过管壁的热传导；热量由管壁另一侧传给冷流体。〔二〕总传热系数〔三〕污垢热阻三、平均温度差一般情况下，冷，热流体在稳定换热的设备内分别在间壁两侧沿传热面进行吸热或放热流体的温度沿传热面逐渐变化。局部温度差也是沿传热面而变化的。当液体发生相变时，则其温度保持不变。当两侧均为变温时，两流体又有顺流和逆流之分。这几种情况下温度沿传热面的变化如图5—9所示。对一侧变温或两侧变温的情形，设冷，热两流体的比热容为常数，总传热系数为常数，热损失可忽略，则在稳定传热时可用以下方法计算平均温度差。Q=KStm逆流操作与顺流操作相比较，具有如下几方面的优点：加热时，假设冷液体的初温终温处理量以及热流体的初温肯定由于逆流时热流体的终温有可能小于冷流体的终温，故其热流体消耗量有可能小于顺流者。冷却时的情况相似，冷流体消耗量有可能小于顺流者。完成同一传热任务。假设热冷流体消耗量相同，由于逆流的对数平均温差大于顺流，故所需的传热面积必小于顺流。由此可见，除个别特别情况外，应选择逆流操作较为有利。至于顺流操作，它主要用于加热时必须预防温度高于某一限定温度，或冷却时必须预防温度低于某一限度的场合。在实际换热器中，往往还伴有更复杂的情况。一种是两液体的流动不是平行而是正交的，这种流动方法称为错流。第二种情形是两流体虽作平行流动，但对一局部管子而言属顺流，对另一局部管子而言属逆流，这种流动称为折流。对于错流和折流，其平均传热温差可用下法求取：首先将冷热液体的进出口温度假定为逆流操作下的温度，求取其对数平均温差，然后乘以修正系数，即得平均温度差：传热的加强加强传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。加强传热有如下几种途径：加大传热面积加大传热面积可以增加传热量，但设备增大，投资和维修费用也随之增加。要看传热量的增加数值能补偿费用上的增加。增加平均温差平均温差愈大，自然热流量愈大。理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的方法，但往往受客观条件和工艺条件的限制。其它，在肯定的条件下，采纳逆流方法替代顺流，也可提X均温差。3．减小传热阻依据热阻的分析，一般金属间壁的导热热阻是较小的，所以加强措施通常不放在此点上。但当这项热阻占有显著重量时，减小壁厚或使用热导率较高的材料，显然可以收效，重要的问题在于需要经常保持壁面清洁。有时，预防污垢形成或经常去除垢层成为很重要的加强措施。热阻中，重要的是两侧传热热阻，必须细心地考虑其加强措施。加大流速，提高湍动程度减小层流内层厚度，均有利于提高外表传热系数。第四节外表传热系数关联式用牛顿冷却定律处理复杂的对流传热，实质上是把一切复杂的影响因素均集中于外表传热系数。因此，对对流传热珠形容便转化为对各种具体情况的外表传热系数的研究。一对流传热的准数方程〔一〕影响对流传热的因素实验说明，影响外表传热系数的因素有以下几个方面：1．流体的种类和相变化的情况液体气体和蒸汽都有不同的外表传热系数。牛顿型流体和非牛顿型流体也是这样。流体有无相变化，对传热有明显不同的影响。2．流体的流动状态流体扰动程度愈高，层流内层的厚度愈薄，对流传热系数也就愈大。3．流体流动的原因自然对流是由于流体内部存在温度差，因而各局部流体的密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流是由于如泵搅拌器等外力的作用迫使流体流动，通常强制对流的外表传热系数比自然对流的外表传热系数大得多。4．流体的物理性质对外表传热系数影响圈套的流体物性有流体的密度粘度热导率和比热容等。流体的物理性质不同，流体和壁面间的对流传热也不同。5．传热面的形状大小及位置管板管束等不同形状的传热面，管径管长或板的高度，管子排列方法，水平或垂直旋转等都影响外表传热系数。〔二〕量纲分析法综上所述，影响对流传热的因素很多。工程上常采纳的是特征数方程或称特征数关联式。它是通过实验得到数据后，再经理论分析整理而成的。〔三〕各特征数的物理意义通过推导得到的特征数方程式含有四个量纲为一的数群。它们的物理意义如下：1．努塞尔数，或称传热数，符号为，即：2．雷诺数，或称流动数，即：3．普朗特数，或称物性数，即：4．格拉晓夫数，即：在采纳特征数关联式时，必须注意：应用范围。特征数关联式是严格应用在肯定范围内的公式，决不应随意推广。定性温度。计算特征数式中各特征数时，其所含的物性的数值应依据访式所指定的温度来确定。此温度称为定性温度。一般是选取对传热过程起主要作用的温度人微言轻定性温度。定性尺寸。计算特征数式中含几何尺寸的特征数时，也是其指定的固定边界的某一尺寸，称为定性尺寸。定性尺寸一般也是选取对流体流动和传热有决定影响的固体外表尺寸。例如管内流动传热用内径，管外对流传热用外径，套管间隙内的传热用当量直径等。二流体无相变时的对流外表传热系数关联式〔一〕流体在管内强制〔二〕流体在管外强制对流〔三〕自然对流外表传热系数三流体有相变时的外表传热系数关联式沸腾和冷凝时的传热发生有相变的传热。在沸腾和冷凝时必定伴随着流体的流动，故沸腾和冷凝传热同样发生对流传热。〔一〕蒸汽冷凝时的对流传热1．蒸汽冷凝方法蒸汽与低于其饱和温度的壁面相接触，即冷凝成液体附着于壁面上，并放出冷凝潜热。蒸汽在壁面上冷凝可分滴状冷凝和膜状冷凝两种情况。〔二〕液体沸腾时的对流传热液体沸腾的主要特征是汽泡的形成及其运动。1．液体沸腾的过程依据传热温度的变化，液体沸腾传热过程要经历如下四个阶段：①自然对流阶段泡核沸腾阶段膜状沸腾阶段稳定膜状沸腾。2．影响沸腾传热的因素液体沸腾传热的上述各阶段中，泡核沸腾在工业上具有重要的意义。泡核沸腾的主要特点是汽泡在加热面上形成和开展，并脱离外表而作上升运动。因此，但凡影响汽泡生成强度的因素均能影响沸腾外表传热系数3．液体沸腾外表传热系数资料6科友热传技术理想中的散热这是各材料间热传导能力的比较图表设计散热器的根本概念，可以精简成一个数学方程式，它代表了排解外界因素后，两个导体间的热能对流：Iw=x(T1-T2)x(I/A)我们一个个简单说明吧：IW代表两个不同物体〔材料〕间，假设有温度上的差异〔T1与T2〕存在时的热能对流量。I代表两的物体间的距离，而A则代表外表积。Gamma代表的是热传导系数。大致看一下这个方程式，您就会了解理想中的散热器设计应该要有怎样的品质了。温度差距〔T1-T2〕是造成热对流的因素，其它它也会大大的被材料的热传导系数〔gamma〕以及散热外表积所影响。我想这些应该充分说明了根本的概念了吧？［风冷散热器］对于现在的电脑产品而言，无论是预算上看，还是从实际散热效果上看，风冷散热是最好的方法。影响风冷散热器散热效果的五大要素散热风扇散热片导热介质扣具环境〔温度〕影响风扇性能确实定工程风量风压转速影响散热片性能确实定工程导热系数受风面积影响导热介质性能确实定工程导热系数热阻填充能力影响扣具性能确实定工程A.应力分布与大小B．重心位置(6)风冷散热原理从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，但凡有温度差存在时，就必定发生热从高温处传递到低温处，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象。而热传递的方法有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导为最快。热源〔CPU或其它部件〕将热量以热传导方法传至导热介质，再由导热介质传至散热片基部，由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热空气，完成热的散热过程。［风冷散热器的热计算］计算公式传热量散热量热阻说明Q1:传热量K：传热系数△T1：平均传热温差Q2：散热量〔单位：W〕G：散热气流量〔单位：kg/s〕Cp：比定压热容〔单位：kJ/kg・°C〕qv：需求风量〔单位：m3/min〕p：气流密度〔单位：kg/m3〕△T2：气流温差〔单位：C〕R1：散热片与环境热阻〔单位：C/W〕资料7揭开散热鳍片的神奇面纱：根底热学时间：11/17/202X9:44:03PMX：蜂鸟工作室阅读177次1、序論：隨著電腦中央處理器的時脈不斷成長，中央處理器產生的熱量也越來越驚人，古早的中央處理器不需要散熱片，而現今的產品則是不安裝散熱片可能會燒毀，台灣被稱為資訊硬體的製造王國，電腦的DIY風氣極為盛行，而電腦硬體的超頻也跟著大行其道，為了將中央處理器的時脈能夠跑的更高，廠商跟著不斷的推出各式各樣的散熱器，網路上千奇百怪的超頻理論紛紛出籠，在本文中不討論如何進行超頻，而是針對目前市面上最常見的鰭片結構之空冷散熱器，嘗試以經過學術驗證的流體力學和熱傳學理論，來探討其設計與性能之優劣，並期望能夠提供讀者一些正確的觀念，並導正一些常見的散熱謬論。致謝:感謝sarion先生在文字、文意上的斟酌與校稿2、理論基礎：全部物體的熱傳可以分成三種：熱傳導、熱對流及熱輻射。一般而言，熱輻射出去的能量太小，所以可以忽略不計。因此在散熱鰭片裡，最重要的兩個熱傳機制就是熱傳導及熱對流。在一般電腦的散熱裝置裡，熱傳導的重要性並不亞於熱對流，因為這是能否將晶片產生的能量傳送到鰭片的重要因素，但是想要降低溫度，熱對流就佔有很大的影響要素。因為能量是由流體靠著對流的現象［無論是強制對流或是自然對流］，把晶片產生的能量給帶走。3、比熱及熱傳導係數：比熱跟熱傳導係數這是兩種不同的量值，但是很多人卻將他們給搞混了。比熱的定義為：單位質量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度K()，而熱傳導係數的定義為：每單位長度、每度K,可以傳送多少瓦數的能量()。簡單說來，比熱的定義是指出整體內能的變化，但是熱傳導係數卻是傳送能量的能力。常看到某些硬體測試文章的作者,在文章中提到：「某材料吸熱快散熱慢,所以如何如何」,筆者看到"吸熱快散熱慢"這六個字實在大惑不解,翻遍了手上有的HeatTransfer書籍,甚至是JournalofHeatTransfer、JournalofHeatandMassTransfer等期刊也沒有看過類似的理論。抱持吸熱快散熱慢理論的硬體測試文章作者,多是觀察了幾個散熱器的溫度升降狀態就做出某某材料會吸熱快散熱慢的推論,殊不知吸熱快散熱慢最多只能用來描述某散熱片在某特定時間下的狀態,但是將吸熱快散熱慢當成是某種材料的特性,那就犯了常見以特例論證通則的邏輯謬誤。由最根本的能量守恆觀念來看,一個系統如果吸熱快散熱慢,這表示在單位時間內進入此系統的熱能一直大於離開此系統的熱能,此系統內的熱能將不斷的增加,系統溫度就會上升,如果吸熱快散熱慢是這個系統的特性的話,這個系統會出現溫度不斷上升,直到整個系統無法負荷更多熱能而整個燒毀的狀況。但是事實不會出現這樣的狀況,因為吸/散熱快慢跟熱傳導係數、熱對流係數及溫度梯度有關聯,吸/散熱快慢是不斷在變化的,沒有一個系統會有吸熱快散熱慢的特性,假設一個系統A原本處於向系統B吸取熱快，將熱散到系統C慢的情況下，系統A溫度會不斷的上升，如此A與B間溫度梯度變小，吸熱就會變慢，A與C間溫度梯度則變大，散熱就會變快，因此系統A會由吸熱快散熱慢的狀態逐漸變成吸/散熱速度相等的狀態，一直到穩態時就會變成吸散熱速度相等，系統A的溫度不會變化。4、長條型鰭片和圓柱型鰭片：在散熱器本身的熱傳裡，有這一個相當重要的因素：流體流動。而長條型鰭片跟圓柱型鰭片的差距，就是流體的流動。在圓柱型鰭片周圍，因為流體的阻力較小，流體简单流動，也因此简单帶走在圓柱的能量，加強了對流的效果，因此在相同面積的散熱鰭片裡，圓柱型鰭片都會比長條型鰭片有著更好的熱傳效果。這一方面的應用實例如：SwiftechMC462。圓柱型鰭片：SwiftechMC462長條型鰭片：流體在鰭片周圍的流動性對於散熱可以說是有著很大的影響，越好流動的鰭片設計越能得到較高的熱傳能力［相同面積］，這也就代表著鰭片的排列方法，外型對於熱傳有著頗大的差異性。5、散熱器底座厚薄熱阻的概念：散熱器底座對於熱傳是否有影響有很多人會人為沒有。其實這是因為現階段鰭片使用的金屬的熱傳導係數較高（鋁、銅），外加厚度不明顯，所以影響不简单看出來。有興趣的人可以做一個實驗，拿一塊鐵塊，高度1公尺，然後在鐵塊周圍用乾毛巾包起來，然後上層再用一散熱鰭片來作散熱。如此一開機，筆者幾乎可以保證，不需要太久就會當機了。為什麼因為鐵塊的熱傳導係數雖然也頗高，但是在鐵塊內部還是會有溫度梯度的存在。雖然鐵塊內部可以容納頗多的能量，但是上層的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度，使得熱逸散的能力近乎沒有，而底部的晶片一直在傳送能量給鐵塊，導致兩端的溫差越來越大，終於突破晶片可以忍受的最高溫度而導致當機。而這塊鐵塊就是熱阻。當然也可以把這鐵塊換成寶麗龍，或是空氣，這當機的速度就會越明顯。講到這邊筆者想就會有很多人可以舉一反三，了解扣具的用意在哪了。扣具不只是將鰭片固定在晶片上面，他的作用也是降低熱阻。熱阻跟壓力也成逆相關。壓力越大熱阻越小。那壓力越大不就越好假设晶片可以承受，那就很完美，但是這世界卻不是這樣完美的。因此就有人在晶片跟鰭片之間塗抹散熱膏來填補晶片跟鰭片之間的空隙，降低熱阻。當然，如果晶片跟鰭片兩接觸平面是完美的平面，那熱阻可以說是沒有，也因為世界的不完美，所以無法達成完美的接觸平面，所以就有人會特地替鰭片作提X面度的工作。這些都是為了讓熱阻降低，增加晶片跟鰭片之間的熱傳。不過，筆者建議不要太過火了，因為這項工作只達成了熱傳導，卻達不成熱逸散。但這邊卻有一特别的應用：銅底。為什麼要在鰭片底部加一薄銅片原因很簡單，因為銅的熱傳導係數比鋁高，所以可以更均勻的將能量傳送到鋁鰭片的周围外圍鰭片。這是因為鋁本身的熱傳導係數不是無限大，所以在鋁鰭片裡面會有溫度梯度的存在：中心溫度較高，周围溫度較低。然而熱傳的一個重要因素就是溫度梯度，如此一來雖然中心有著較高的熱傳效果，但是鰭片周围卻比中心的熱傳效果差，導致整體熱傳效果的減低。因此使用銅片來解決這溫度梯度的不均勻問題。雖然銅片增加了熱阻，但是增加了一點點的熱阻卻大大加強了整體鰭片的溫度均勻分布，可以說得多於失。除了銅底，也有人使用銅柱（ex:下圖的ARKUA7528），當然這也是相同的原理。但是使用銅柱時，對於氣流的處理必須更加注意，不然軸流風機的氣流一出來馬上就被銅柱給擋回去，形成迴流造成能量的損耗。6、高頻噪音:風速對熱傳的影響筆者認為大局部的人都了解風速越大，熱傳效果越好。理論上如此，實際上也如此［考慮直接吹入晶片的進氣方法，不考慮其他方法，因為其他方法不肯定會有比較好的結果，這還得考慮迴流區對於鰭片的影響］。因為風速越高，熱對流效應越強烈。但是這有幾個問題，是否肯定只有高風速才會對熱傳有絕對性的影響是否只有高頻噪音才會帶來高風量風量是不是可以毫無限制的提高的確，風速對於熱傳的影響可以說接近絕對:在肯定的速度之下。為什麼大家想想太空梭的隔熱磚就了解了。當流體磨擦所損耗的能量大於所能帶走的能量之後，那麼就會見到鰭片溫度越來越高，甚至融化。不過這種終極的速度已經在音速以上了［以空氣而言，其他流體不肯定］。這也就是說可以不用考慮這樣的影響。如果，能以其他比空氣黏滯性係數還低的氣體來當作進氣，那麼就能以較低的風速得到一個一樣的散熱結果。此外，改變氣體密度，渠道［假設CPU散熱裝置為一矩形渠道］寬度也能得到一樣的結果。歸納這些考慮因素，可以得到一個無因次化［就是把全部的質量、長度、時間等因次項給消掉的純量值］參數：Reynoldsnumber(Re)。這就是影響熱傳最主要的因素。一般廠商都是直接增加Reynoldsnumber來改善熱傳，因為這最簡單，最不需要花時間設計鰭片。［Ex:冰天X地］那是否只有高頻噪音才能帶來高風量這答案肯定是否认的。大家想想，電風扇的風量夠大吧那種掛在天花板的大風機風量也很足夠，但是轉速就是很慢。這就是作用面積的影響。假设使用一個類似漏斗的東西，將大風扇的風搜集轉成小面積吹入鰭片裡，如此一來不但能降低噪音，也能得到足夠或是更高的風量，而這就是大轉小風罩的原理：因為流量是跟面積和速度成正比。還有一個問題就是風速是否能毫無限制的增加假设風扇不變大，單純使用軸流風扇的情況下，筆者可以說這是不可能的。這就得考慮到其它一個觀念：邊界層分離。什麼是邊界層分離現象筆者想大家都有看過在河流裡面的樹枝，當水流流速達到肯定程度時，樹枝的後半外表會開始形成一個渦流的現象［不是背後，是外表］，而這個現象就是邊界層分離。當風扇轉速達到肯定程度時，空氣也會在葉片外表形成此現象，當此現象越來越嚴重時，就會產生失速的現象，這也就是說風扇再怎樣輸入能量得到更高的轉動都不能得到更高的風量，甚至會得到反效果。這也就是說不改變鰭片外型，鰭片的熱傳能力是有上限的。7、 鰭片長度的影響鰭片效率的概念：鰭片是否越長越好理論上是，但是必須考慮到他的效率問題。因為這跟本钱有很大的關聯。然而要如何考慮鰭片效率這方面的數學型式頗重，這篇不是學術性的報告，所以筆者只指出他的相關性參數：熱對流係數、鰭片長度、整體面積、熱傳導係數，周長。因為數學模式並不簡單，所以筆者並不想詳細介紹。一般說來長度越長，鰭片效率越差，熱傳導係數越高，鰭片效率越好。這也就是說使用銅做成的鰭片會比同造型的鋁鰭片有著更好的效率，面積越大的鰭片也會有較好的鰭片效率。8、 熱傳的原罪：熱邊界層的概念：什麼是熱邊界層簡單的說，就是流體在物體外表產生對流效應時，因為流體的熱傳導係數很差，接觸物體外表的流體無法順利的將能量傳送給上層的流體，所以流體和物體外表作用出一層溫度較其他流體高的流體，而這層流體就稱作熱邊界層。因為這層流體因為溫度較高，阻礙了較冷流體和物體外表的對流，降低了熱傳的效果。這代表什麼意思呢筆者想用抽風跟吹風的差別會比較简单瞭解他的內涵：為了增強鰭片的散熱效果，建議將最低溫的流體直接流入最高溫的鰭片上。因為熱邊界層的成長，會導致熱傳效果的降低，如果將最低溫的流體流進最低溫的鰭片上，這樣就會導致流體流到在最高溫鰭片底部，因為熱邊界層的影響而阻隔了較低溫流體跟高溫鰭片的熱交換，進而降低了熱傳的效果。9、 實戰篇：在眾多的鰭片中，要如何選購一顆可以勝任高發熱晶片的散熱裝置呢其實，這並不難，只要使用熱傳學的觀點來看，好與不好幾乎一眼就可以看穿了。首先，拿到一顆鰭片，我們必須先考慮流體在鰭片內部好不好流動光這一點就可以幾乎剔除了現階段市面上可以看到的全部鰭片了。因為密密麻麻的矩形條狀鰭片跟放射性鰭片，甚至是圓柱型鰭片相比，流體在矩形條狀鰭片裡的流動性實在是太差，所以只好瘋狂的增加風量，增加面積來解決這問題。再來，考慮材質，因為這對於鰭片的效率有著相當高程度的影響，這也是為什麼在高發熱晶片的世界裡，鋁製鰭片越來越難存活的原因。考慮鰭片外表的光滑性，粗操的外表可以得到較好的效果，考慮風扇的風量，使用高風量的鰭片會有著較好的散熱效果。考慮整體溫度的均勻性，假设銅鰭片底部加裝銀底如同鋁鰭片底部加裝銅底一般，這樣也會有較好的效果。此外，假设鰭片上方有風罩的設計，這對於散熱是有幫助的，氣體的流動方向，一般而言，抽出氣體的方法會比吹入氣體的方法有著較佳的散熱效果。但是一使用抽出氣體的方法來散熱，氣體的流動性會變得相當重要，因為抽出氣體會使得鰭片周圍變成負壓區，但是負壓區很小，造成能流體有在流動的區域也相對的變小，假设沒有操纵好流體的流動，會導致底部的高溫區域得不到氣體的流動，這樣是得不償失的。ex：採風罩設計的散熱器：10、結論：寫了這篇，只是期望大家能得到較正確的熱傳觀念，不要被沒受過正統的熱流教育，滿腦子只有想像的幾位硬體文章作家所誤導。流體力學跟熱傳學的世界裡，經驗常常是會出差錯的，因為他們只能看到外表，卻看不到其中所內涵的道理。這就像是大家看到鳥揮動翅膀就可飛行，但是自己怎樣的揮動翅膀就是飛不起來一樣。因為他們只看到外表，卻沒看到鳥類為了飛行所達成的演進，及其中流體的流動，利用上升氣流的幫助等力學原理。此外筆者省略了熱管及層流、紊流對於熱傳上的影響及其不同，熱管是因為筆者接觸的不多，怕產生誤導而省略，層流及紊流是因為內涵的數學觀念更多，講下去睡著的人可能有一大半了。11、參考書籍：BruceR.Munson,DonaldF.Young,'FundamentalsofFluidMechanics',2ndedition,JohnWiley&Sons,NewYork,1994.FrankP.Incropera,DavidP.Dewitt,'FundamentalsofHeatandMassTransfer'4thedition,JohnWiley&Sons,NewYork,1996.A.F.Mills,'HeatTransfer',2ndedition,PrenticeHall,1999.CengelBoles,'Thermodynamics'3rdedition,McGraw-Hill,1998.资料8高速电路设计中的散热考虑在一般的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功耗也逐渐变大，例如：Intel的奔腾CPU的功耗可到达25W。当自然条件的散热已经不能使芯片的温升操纵在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片外表热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。通常条件下，热量的传递包含三种方法：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方法或者二者的同时使用。散热器通过和芯片外表的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的外表使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器外表，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。与电路计算中最根本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最根本的公式：温差=热阻x功耗在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻，散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在，在散热器和空气之间就产生了肯定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样，散热器与芯片外表之间也会存在肯定的热阻。热阻的单位为。C/W。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。下面举一个电路设计中热阻的计算的例子来说明：设计要求：芯片功耗：20瓦芯片外表不能超过的最高温度：85C环境温度〔最高〕：55C计算所需散热器的热阻。实际散热器与芯片之间的热阻很小，取01C/W作为近似。则〔R+0.1〕x20W=85C-55C得到R=1.4C/W只有中选择的散热器的热阻小于1.4C/W时才能保证芯片外表温度不会超过85Co使用风扇能带走散热器外表大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例：风速〔英尺/秒〕热阻〔C/W〕TOC\o"1-5"\h\z0 3.5100 2.8200 2.3300 2.0400 1.8资料铝-铜复合底散热器特征及应用目前随着计算机的更新换代，CPU散热问题日益突出，现在使用的铝散热器的散热效率已不能满足需要。铜的散热性高于铝，但纯铜散热器重量大，而且形状复杂的鳍片制造困难，本钱高。由于铝的材质软，挤塑成型的生产效率高，且纯铝散热器重量轻，材料费低，如能把肯定厚度的铜板与铝散热器的底平面完成焊接，利用铜的快速传热性能〔铜的导热系数为铝的4倍〕就可以大大提高散热器的散热效果。现在己经有采纳粘接的方法把铜板粘贴在铝散热器底面上，成为铝铜复合底散热器，使散热器的散热效果有所提高，但所用的粘贴介质是非金属材料，由于这层介质的存在，降低了铜铝间的传热性能；目前市场上还有应用压扣铜板的方法来提高铝散热器的性能,工艺简单，本钱低，但铜-铝接触面积不稳定，而且由于铜和铝外表有氧化膜,对传热不利；还有铸铜复合的铝散热器，也可提高散热器的性能，但制造本钱高，工艺复杂。应用爆炸焊接技术可以完成铜铝间的无介质连接，而且有结合强度高，在热处理、机加工等条件下能确保复合层不别离的突出优点。我经过一年的研究和实验，研制出多种规格的复合底散热器，铜层厚度为1-5mm，经过初步传热性能实验，研制成功了铝铜复合底散热器，是应用爆炸焊接技术，将肯定厚度的铜板焊接在成型的铝散热器底平面上，爆炸焊接后，我们对爆炸复合的散热器性能进行了计算和实验，发觉它的铜层厚度、散热器结构和形状对散热性能有不同的影响，实验中，我们采纳爆炸复合3mm厚铜层与扣压铜板两种散热器进行比较，爆炸复合散热器比扣压方法的散热器，在同一环境温度、运行同一程序和时间等条件下，可降低摄氏5度。二、爆炸焊接的特点：爆炸焊接，亦称为爆炸复合，是一种特别的焊接技术。它是采纳炸药为能源，利用爆炸作用推进两个或多个金属体产生高速碰撞来完成焊接的。爆炸焊接的最大特点是能将常规方法无法焊接的两种金属材料牢固地焊接在一起。众所周知，铝与钢、铝与铜、铜与钢、钛与钢等金属之间的可焊接性很差，常规方法焊接困难，即使采纳一些特别的工艺将之焊接在一起，其焊接质量也往往难于保证。而采纳爆炸焊接做到这一点却很简单，而且结合界面处的抗拉强度通常大于母材强度，焊接界面保持肯定的韧性，界面没有任何中间介质，这些优点是其它方法无法比较的。三、散热器性能的实验测试实验1 CPUCOOLER热阻测试汇报散热器型号EC0166〔FAN6015〕复合2mm铜板转速4300RPM风量18.6CFM风压3.16mmAqCPUATHLONXP1800+功耗(TDP)66W机箱标准ATX机箱系统风扇否测试环境恒温恒湿箱(35Co)温度测试仪器Agilent34970A操作系统窗口98SE使用软件KPOWERTa44.1CoTc84.87C测试时间1HRca(c/w)0.61772散热片：爆炸铜-铝复合散热器，铜厚度2.0MM散热器长：60MM中间刨一6.5MM沟放扣具，测试结果中热阻偏大与风扇的风量、风压有关。再有，散热片齿不够多外表积太小也是影响热阻的因素，其它：CPU面积太小只有11.2*11.8实验3 CPUCOOLER热阻测试汇报散热器型号EC0166〔FAN6015〕铜板加扣具转速4300RPM风量18.6CFM风压3.16mmAqCPUATHLONXP1800+功耗(TDP)66W机箱标准ATX机箱系统风扇否测试环境恒温恒湿箱(35Co)温度测试仪器Agilent34970A操作系统WINDOWS98SE使用软件KPOWERTa44.37C°Tc89.53C°测试时间1H05MINRca(c/w)0.684纯铝散热片：铝挤型与其它相同长：60MM中间刨一6.5MM沟放扣具，铜厚度3.0MM，铜片用四颗螺钉锁上,中间涂导热膏.资料1．降温才是硬道理散热能力考查的是CPU散热器综合实力的指标，如果使用散热器后，它不能将CPU温度降到最大同意温度以下，无论多么漂亮的外表或多么先进的设计及制造工艺，都是徒劳的，所以降温才是硬道理。散热能力的上下与散热器的各组成局部均有关系，为了简单说明问题，我们只从以下几方面进行解说：〔1〕发热量与散热量使用此散热器后，当环境温度TambS45°C时，CPU的内核实际工作温度Tjunc.始终低于是内核最大同意温度Tjunc.max•并大于或等于环境温度，则散热器的降温能力是合格的,也是最正确的。即Tamb.<Tjunc.<Tjunc.max注：此式仅针对风冷散热器而言。而要到达CPU的工作温度低于最大同意温度的必要条件是：散热器的散热量>CPU最大发热量〔2〕降温能力降温能力的上下可以简单地以下式表示：降温能力=〔热源温度-环境温度〕/消耗功率如果使用此散热器后，CPU内核温度越靠近环境温度，则其散热能力越强。〔3〕热传导量依据热传导量的计算式0=（入AAT1）©中我们已经得知，热传导量越大，越能将CPU的热量吸出，CPU内核温度就可以降得越低。因此选用散热器时，要考虑散热片材料的导热系数，与CPU的接触面积，热流距离，并提供良好的外部条件，以增大温差AT1o铜的导热系数高于铝，其它条件肯定时，铜散热片的热传导量高于铝散热片，铜汲取热量的速度比铝快很多，但把热散发出去的速度却比铝慢很多，所以铜质散热片肯定要配上一个强劲的风扇，但是铜的价格比铝的要贵的多,所以在铝散热片底部嵌上了一块铜板，这种散热片的吸热效果比纯铝散热片好，而且比全铜的散热片廉价。如果经济同意的好,又不怕风扇的噪声大，纯铜散热器对计算机超频爱好者来说是非常好的一个选择.。散热片底部越平越光滑，以及使用的导热介质填充空隙的能力越强，有助于增大接触面积，从而增大热传导量。而热流距离的增减要视CPU的消耗功率，与散热片的接