第12章 電子產(chǎn)品熱設(shè)計

1、12.1電子產(chǎn)品熱設(shè)計概述 電子產(chǎn)品工作時，其輸出功率只占產(chǎn)品輸入功率的一部分，其損失的功率都以熱能形式散發(fā)出去，尤其是功率較大的元器件，因此，熱設(shè)計是保證電子產(chǎn)品能安全可靠工作的重要條件之一，是制約產(chǎn)品小型化的關(guān)鍵問題。 電子設(shè)備熱控制的目的是要為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的方案正常、可靠的工作。 防止電子元器件的熱失效是熱控制的主要目的。 熱設(shè)計處理不當(dāng)是導(dǎo)致現(xiàn)代電子產(chǎn)品失效的重要原因，電子元器件的壽命與其工作溫度具有直接關(guān)系，也正是器件與PCB中熱循環(huán)與溫度梯度產(chǎn)生熱應(yīng)力與熱變形最終導(dǎo)致元件失效。溫度超過一定值時，元器件的失效率 電子設(shè)備的熱環(huán)境包括：環(huán)境

2、溫度和壓力（或高度）的極限值；環(huán)境溫度和壓力（或高度）的變化率；太陽或周圍物體的熱輻射；可利用的熱沉（包括：種類，溫度，壓力和濕度）；冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的沉降。 熱設(shè)計的基本任務(wù)是通過熱設(shè)計在滿足性能要求的前提下盡可能減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，并選擇合理的冷卻方式，保證設(shè)備在散熱方面的可靠性。 現(xiàn)在的熱設(shè)計主要針對的散熱目標(biāo)有：CPU，NB（北橋）,SB（南橋）,TCP（薄膜封裝）,MOSFET,LED等等。12.2電子產(chǎn)品熱設(shè)計理論基礎(chǔ) 熱交換的三種模式：傳導(dǎo)、對流、輻射。 12.2.1熱設(shè)計中的術(shù)語與名字1.熱術(shù)語 熱特性 熱流密度 熱阻 內(nèi)熱阻 安裝熱阻 溫度梯度 紊

3、流器 熱沉2.熱名詞 熱傳導(dǎo) 熱對流 熱輻射 12.2.2電子產(chǎn)品的熱環(huán)境 12.2.3電子產(chǎn)品熱控制的目的 12.2.4電子元器件與模塊的熱設(shè)計變壓器熱設(shè)計處理1.電子元器件的熱設(shè)計 2.電子模塊的熱設(shè)計12.3 筆記本電腦散熱設(shè)計實(shí)例分析 12.3.1筆記本電腦熱源追蹤 12.3.2筆記本與臺式電腦散熱比較 12.3.3 筆記本散熱方式1.風(fēng)扇散熱軸向型風(fēng)扇輻射型風(fēng)扇導(dǎo)熱銅管設(shè)計2.機(jī)身、外殼散熱 鎂鋁合金質(zhì)堅(jiān)量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強(qiáng)，能充分滿足電子產(chǎn)品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求。蘋果MAC系列筆記本鍵盤對流散熱3.3.散熱底座散熱底座 筆記本的散

4、熱底座的散熱原理主要有兩種：1.單純通過物理學(xué)上的導(dǎo)熱原理實(shí)現(xiàn)散熱功能，將塑料或金屬制成的散熱底座放在筆記本的底部，抬高筆記本以促進(jìn)空氣流通和熱量輻射，可以達(dá)到散熱效果。2.2.在散熱底座上面再安裝若干個散熱風(fēng)扇來提高散熱性能。這種風(fēng)冷散熱方式包括吹風(fēng)和吸風(fēng)兩種方式。兩種方式差別在于氣流形式不同，吹風(fēng)時產(chǎn)生的是紊流，屬于主動散熱，風(fēng)壓大但容易受到阻力損失，筆記本底部和散熱底座實(shí)際組成了一個封閉空間，所以一般吸風(fēng)散熱方式更符合風(fēng)流設(shè)計規(guī)范。抬高筆記本的散熱底座帶散熱風(fēng)扇的散熱底座4.水冷散熱 水冷系統(tǒng)一般由以下幾個部分構(gòu)成：熱交換器、循環(huán)體系、水箱、水泵和水，根據(jù)需要還可以增加散熱結(jié)構(gòu)。水因物理

5、屬性，傳熱性并不比金屬好，但是流動的水具有極好的傳熱性。水冷散熱的散熱性能與其中散熱液流速成正比。而且水的熱容積大，這使水冷制冷體系有著很好的熱負(fù)載能力，直接好處就是CPU工作溫度曲線非常平緩。 比如，使用風(fēng)冷散熱器的體系在運(yùn)行CPU負(fù)載較大時，會在短時間內(nèi)出現(xiàn)溫度熱尖峰，或可能超出CPU警戒溫度，而水冷散熱體系則由于熱容積大，熱波動相對要小得多。CPU的水冷散熱系統(tǒng)水冷系統(tǒng)下的筆記本溫度曲線12.3.4埃普八爪魚筆記本散熱器 埃普八爪魚散熱底座是由著名的精輝公司針對桌面支架系統(tǒng)推出的新款人體工程學(xué)支架，參考八爪魚仿生學(xué)設(shè)計，主體采用鋁合金結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度工程塑料材料，設(shè)計精巧，做工優(yōu)良，外觀造型

6、獨(dú)特，具有很高的實(shí)用性和便攜性。主體采用的是鋁合金壓鑄，表面細(xì)噴沙金屬電鍍，質(zhì)感高檔的同時保障了使用強(qiáng)度，美觀耐用，并配有兩個高速靜音風(fēng)扇，采用USB供電，提高電腦散熱性能。埃普八爪魚散熱底座的包裝細(xì)節(jié)欣賞未使用八爪魚散熱器前魯大師測試結(jié)果使用八爪魚散熱器后魯大師軟件測試結(jié)果12.4電子產(chǎn)品熱設(shè)計實(shí)例： IBM“芯片帽”芯片散熱系統(tǒng) 從理論上來說，散熱片和芯片表面結(jié)合得越緊密，散熱效率越高。將散熱片的芯片頂部壓緊自然是一種方法，但壓力過大又會破壞芯片。IBM公司的研究人員近日發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，能夠大大提高芯片的散熱效率。 這套系統(tǒng)名叫“芯片帽”，或者說是高導(dǎo)熱性接觸面技術(shù)。他們從樹木的根系和

7、人的血管系統(tǒng)得到啟發(fā)，在散熱片底部開辟出了粗細(xì)不同，互相連接的渠道。也就是散熱片的底部也通過細(xì)微的高低不平增大了接觸面積。這樣，當(dāng)通過硅或銀質(zhì)的導(dǎo)熱介質(zhì)和芯片核心接觸時，IBM宣稱能夠帶來和現(xiàn)有方案相比10倍的散熱效率。同時，加在散熱片上的壓力只需要之前的一半，避免了破壞核心的可能性。 同時，IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室還在展望更加前衛(wèi)的技術(shù)，名為直接噴射技術(shù)。該技術(shù)基于上面講的多紋理接觸面，又結(jié)合了液冷技術(shù)。將散熱片表面的渠道體系排列的更為規(guī)則，用最多50000個微型噴嘴直接向這些陣列噴射散熱液體。 芯片帽示意圖構(gòu)想中直接噴射沖擊技術(shù)的散熱片表面12.4.1整機(jī)散熱設(shè)計 1.確定整機(jī)的消耗和分布 2

8、.根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸初步確定散熱設(shè)計方案 3.對確定的冷卻方式進(jìn)行分析 4.針對分析結(jié)果可利用熱分析軟件進(jìn)一步驗(yàn)證 5.對散熱方案進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而最后確定比較優(yōu)秀的整機(jī)散熱設(shè)計12.4.2機(jī)殼的熱設(shè)計 電子設(shè)備的機(jī)殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量，并通過它將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個重要熱傳遞環(huán)節(jié)。機(jī)殼的設(shè)計在采用自然散熱和一些密閉式的電子設(shè)備中顯得格外重要。機(jī)殼熱設(shè)計應(yīng)注意下列問題：1.增加機(jī)殼內(nèi)外表面的黑度，開通風(fēng)孔等都能減低電子設(shè)備內(nèi)部元器件的溫度2.機(jī)殼內(nèi)外表面高黑度的散熱效果比兩側(cè)開百葉窗的自然對流效果好3.機(jī)殼內(nèi)外表面高黑度的降溫效果比單面高黑度的效果好4.在機(jī)殼內(nèi)外表面黑化的基礎(chǔ)上，合理改進(jìn)通風(fēng)

9、結(jié)構(gòu)5.通風(fēng)口的位置應(yīng)注意氣流短路而影響散熱效果，通風(fēng)口的進(jìn)出應(yīng)開在溫差最大的兩處，進(jìn)風(fēng)口要低，出風(fēng)口要高6.在自然散熱時，通風(fēng)孔面積的計算至關(guān)重要7.結(jié)構(gòu)要簡單，不易落灰，又要滿足強(qiáng)度，電磁兼容性要求和美觀大方8.減小發(fā)熱器件與機(jī)殼的傳導(dǎo)熱阻，加強(qiáng)內(nèi)部空氣對流，增加機(jī)殼表面積等12.4.3冷卻方式設(shè)計多種冷卻方式的比較12.4.4自然冷卻設(shè)計 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距=1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱

10、，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱器熱齒表面不加波紋齒。 自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強(qiáng)化輻射散熱。12.4.5強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計 當(dāng)自然冷卻不能解決問題時，需要用強(qiáng)迫空氣冷卻，即強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)迫風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)或抽風(fēng)，提高設(shè)備內(nèi)空氣流動速度，達(dá)到散熱的目的。 強(qiáng)迫風(fēng)的散熱形式主要是對流散熱，其冷卻介質(zhì)是空氣。 整機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)有兩種形式：鼓風(fēng)冷卻和抽風(fēng)冷卻。12.5電子產(chǎn)品熱設(shè)計實(shí)例：高亮度LED封裝散熱設(shè)計 LED光源具有高效節(jié)能和長壽命等優(yōu)點(diǎn)，能夠在照明節(jié)電上發(fā)揮巨大作用。由于LED特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大功率LED在散熱問題

11、上面臨重大挑戰(zhàn)。 LED英文單詞的縮寫，主要含義：LED = Light Emitting Diode，發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成。 它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。 LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著LED燈株。在一個支架上，是負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。 LED燈具LED高亮度LED熱設(shè)計外部量子化效率圖Luxeon系列LED橫切面Luxeon系列LED的裸晶實(shí)行覆晶鑲嵌法MCPCB示意圖12.6筆記本電腦熱設(shè)計中存在的問題 通常情況下，筆記本為了實(shí)現(xiàn)機(jī)體的全面封閉，大多都是采用了無風(fēng)扇設(shè)計。這樣帶來的一個直接后果就是限制了高頻CPU的使用。因?yàn)闄C(jī)體全面封閉以后，核心運(yùn)算