電子設備散熱基礎知識-昂納-課件

電子設備散熱基礎知識O-NetCommunicationsCO.,LTD.1O-NetConfidential電子設備散熱基礎知識O-NetCommunications一、散熱基礎知識

熱量傳遞的三種基本方式熱阻的概念二、散熱器介紹

散熱鰭片設計激光器散熱方案分析三、熱傳界面材料介紹

導熱硅脂及導熱墊詳細介紹四、熱管，風扇基礎知識五、散熱測試儀器介紹六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢七、散熱設計實例提綱O-NetCommunicationsCO.,LTD.2O-NetConfidential一、散熱基礎知識提綱O-NetCommunicatHeatsink熱傳導熱傳導熱輻射熱對流熱輻射熱對流PCBCPU一、散熱基礎知識熱量傳遞的三種基本方式：傳導、對流和輻射電子設備冷卻過程中通常三種散熱方式同時存在，同時發(fā)生Fourier導熱公式：Q=λA(Th-Tc)/xNewton對流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair)輻射4次方定律：Q=5.67e-8εA(Th4-Tc4)其中λ、α、ε分別為導熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)及表面的輻射率，A是換熱面積O-NetCommunicationsCO.,LTD.3O-NetConfidentialHeatsink熱傳導熱傳導熱輻射熱對流熱輻射熱對流PCB1.熱傳導（HeatConduction）導熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算：Q=λA(Th-Tc)/x

其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th與Tc分別為高溫與低溫面的溫度，x為兩個面之間的距離，單位為m。λ為材料的導熱系數(shù)，單位為W/(m℃）O-NetCommunicationsCO.,LTD.4O-NetConfidential1.熱傳導（HeatConduction）導熱過程中MaterialThermalconductivity

(W/m*K)MaterialThermalconductivity

(W/m*K)Diamond1000Fiberglass0.04Silver406.0Brick,insulating0.15Copper385.0Brick,red0.6Gold314Corkboard0.04Brass109.0Woolfelt0.04Aluminum205.0Rockwool0.04Iron79.5Polystyrene0.033Steel50.2Polyurethane0.02Lead34.7Wood0.12-0.04Mercury8.3Airat0°C0.024Ice1.6Helium(20°C)0.138Glass0.8Hydrogen(20°C)0.172Concrete0.8Nitrogen(20°C)0.0234Waterat20°C0.6Oxygen(20°C)0.0238Asbestos0.08Silicaaerogel0.003導熱系數(shù)（ThermalConductivity）O-NetCommunicationsCO.,LTD.5O-NetConfidentialMaterialThermalconductivity

(O-NetCommunicationsCO.,LTD.6O-NetConfidentialO-NetCommunicationsCO.,LTDk(insulation)=0.20W/m-C

k(wood)

=0.80W/m-Cq=kAdT/L

Acrossinsulation:

qins=(0.20)(40)(25-T)/0.076

(1)

=2631.6-105.3T

(2)

Acrosswood:

qwood=(0.80)(40)(T-4)/0.019

=1684.2T-6736.8

Heatislikeafluid:

whateverflowsthroughthe

insulationmustalsoflowthroughthewood:

qwood

=

qins

1684.2T-6736.8=2631.6-105.3T

(3)

1789.5T=9368.4

(4)

T=5.235C

(5)

q=qwood=qins

(6)

q=1684.2(5.235)-6736.8=2080W

(7)

q=2631.6-105.3(5.235)

=2080W

(8)

HeatConduction應用案例O-NetCommunicationsCO.,LTD.7O-NetConfidentialk(insulation)=0.20W/m-C

k2.熱對流（HeatConvection）對流換熱是指運動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是電子設備散熱中中應用最廣的一種換熱方式。根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。前者是由于泵、風機或其他外部動力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。機柜中通常采用的風扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。O-NetCommunicationsCO.,LTD.8O-NetConfidential2.熱對流（HeatConvection）對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：Q=hA(Tw-Tair)其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Tw與Tair分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數(shù)：自然對流時換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強制對流時換熱系數(shù)在10～100W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過30W/(℃*m2）。O-NetCommunicationsCO.,LTD.9O-NetConfidential對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：O-NetCommun3.熱輻射（HeatRadiation

）輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體的輻射計算公式為：E＝5.67e-8εT4物體表面之間的熱輻射計算是極為復雜的，ε是表面的黑度或發(fā)射率，該值取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關，也與顏色無關。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度達到0.8，雪的黑度為0.8。

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達到0.8，這些都有利于輻射散熱。對于電子設備金屬外殼，?？梢赃M行一些表面處理來提高黑度，強化散熱，例如表面陽極氧化處理，噴砂等。O-NetCommunicationsCO.,LTD.10O-NetConfidential3.熱輻射（HeatRadiation）SurfaceEmissivityCoefficient,εAluminumCommercialsheet（工業(yè)薄板）0.09AluminumAnodized（陽極氧化）0.77BlackEpoxyPaint（黑漆）0.89BrassPolished（磨光黃銅）0.03CottonCloth（棉布）0.77Copperheatedandcoveredwiththickoxidelayer0.78CopperPolished（磨光純銅）0.023-0.052Glass0.92Goldpureandhighlypolished（剖光純金）0.018-0.035Ice0.97Nickel,oxidized0.59-0.86Plastics0.91SilverPolished0.02-0.03SteelOxidized0.79SteelPolished0.07Water0.95-0.963黑度（Emissivity）O-NetCommunicationsCO.,LTD.11O-NetConfidentialSurfaceEmissivityCoefficient,4.熱阻（ThermalResistance

）熱阻計算公式：

Q=△T/Rth熱量傳遞過程中，溫度差△T是過程的動力，好象電學中的電壓，換熱量Q是被傳遞的量，好像電學中的電流，Rth稱為熱阻（thermalresistance），單位為℃/W，就像導熱過程的阻力。

器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻；Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。O-NetCommunicationsCO.,LTD.12O-NetConfidential4.熱阻（ThermalResistance）熱阻計算兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如右圖所示，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以傳導和輻射的方式穿過該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力成為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料（如硅脂，導熱墊）填充界面間的空氣。

在設計熱傳導時，一定不能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)不同的應用情況以及所處環(huán)境選擇合適的導熱填充材料，如硅脂、導熱膜，導熱墊等。O-NetCommunicationsCO.,LTD.13O-NetConfidential兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在適當?shù)脑黾觾蓚€接觸表面上的壓力可以有效的減小接觸熱阻。右圖是接觸熱阻與接觸壓力、表面狀況之間的關系曲線。工程上常用的減小接觸熱阻方法：加大接觸表面的壓力；提高兩接觸面的精度；接觸表面增加導熱墊或?qū)峁柚?，導熱膏；O-NetCommunicationsCO.,LTD.14O-NetConfidential適當?shù)脑黾觾蓚€接觸表面上的壓力可以有效的減小接二、散熱器介紹散熱器即為一散熱擴展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)劣。WorkstationHeatsinkChipHeatsinkServerHeatsinkO-NetCommunicationsCO.,LTD.15O-NetConfidential二、散熱器介紹散熱器即為一散熱擴展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)散熱器設計步驟1，根據(jù)相關約束條件設計輪廓圖2，根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚，齒形，齒間距，基板厚度進行優(yōu)化3，對散熱器進行校核計算O-NetCommunicationsCO.,LTD.16O-NetConfidential散熱器設計步驟O-NetCommunications考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層容易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于6mm，如果散熱器齒高小于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。自然對流的散熱器表面一般要提高表面黑度的處理，表面顏色可以任意選擇，以增大散熱器表面的輻射系數(shù)，強化輻射散熱。由于自然對流達到熱平衡的時間比較長，所以自然對流的基板以及齒厚應足夠，以抗擊瞬時的熱沖擊，基板厚度建議大于5mmO-NetCommunicationsCO.,LTD.17O-NetConfidential考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個鰭片形狀經(jīng)驗設計：鰭片間距：對于自然對流，肋片間距要在4mm以上肋片角度：約為3°O-NetCommunicationsCO.,LTD.18O-NetConfidential鰭片形狀經(jīng)驗設計：O-NetCommunications散熱器基板優(yōu)化：O-NetCommunicationsCO.,LTD.19O-NetConfidential散熱器基板優(yōu)化：O-NetCommunications不同風速下散熱器齒間距選擇方法：O-NetCommunicationsCO.,LTD.20O-NetConfidential不同風速下散熱器齒間距選擇方法：O-NetCommunic激光器散熱設計方案分析：正確安裝激光器模塊，并且保證與熱沉接觸良好是激光器正常工作的必要保證條件。

圖示所示為一種激光器散熱良好的安裝原理，激光器主要導熱方向是從芯部向下，所以在激光器下部適當安裝一個熱沉，并且配合上導熱接觸材料（導熱硅脂，導熱墊等），在焊接激光器過程中，推薦的壓力為200KPa（~30psi，15N）。F：200KPa，~30psi，15NThermalinterface：ChomericsG579，G974導熱墊Dow-corningTC-5121導熱硅脂O-NetCommunicationsCO.,LTD.21O-NetConfidential激光器散熱設計方案分析：正確安裝激光器模塊，并案例：器件的散熱措施與封裝不匹配——散熱設計事倍功半下圖所示散熱方案設計沒有根據(jù)器件內(nèi)部封裝結構，雖然整個光模塊還加工了散熱片，但激光器產(chǎn)生的熱量沒有一個很好的導熱路徑，激光器在工作過程中，殼體溫度非常有可能會超過規(guī)格。O-NetCommunicationsCO.,LTD.22O-NetConfidential案例：器件的散熱措施與封裝不匹配——散熱設計事倍功半O-Ne好的散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計!根據(jù)不同封裝的器件采用不同的散熱處理方式！O-NetCommunicationsCO.,LTD.23O-NetConfidential好的散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計!O-NetCo三、熱傳界面材料介紹導熱材料能填充界面間隙，降低界面熱阻！熱傳界面材料主要包括：導熱硅脂，導熱膠，導熱墊等主要用于填充熱源與散熱器之間的面與面的間隙，從而減小接觸熱阻，改善熱源散熱性能。O-NetCommunicationsCO.,LTD.24O-NetConfidential三、熱傳界面材料介紹導熱材料能填充界面熱傳界面TIM(Grease及Thermalpad)使用原理Heatsink與芯片表面并非光滑無間，兩表面接觸面存在間隙。因空氣為熱的不良導體，熱傳導系數(shù)K值僅0.026W/m.K。依間隙尺寸5μm，芯片功率45W，芯片尺寸20*13mm計算，芯片T-c與散熱器之間兩者溫差為：△T=Q*d/(A*K)=45*0.000005/(0.02*0.013*0.023)≈37.6℃。若使用填充介質(zhì)，設填充介質(zhì)K值為3.3W/m.K，則△T=45*0.000005/(0.02*0.013*3.3)≈0.26℃CPUFanHeatsinkHeatsinkCPU間隙O-NetCommunicationsCO.,LTD.25O-NetConfidentialTIM(Grease及Thermalpad)使用原理He常用的界面導熱材料——導熱硅脂通常由復合型導熱固體填料、高溫合成油（基礎油如硅油），并加有穩(wěn)定劑和改性添加劑調(diào)配而成的均勻膏狀物質(zhì)，常用的導熱脂為白色，也有灰色或金色的導熱脂等顏色。導熱顆粒通常采用氧化鋅、氧化鋁、氮化硼、氧化銀、銀粉、銅粉等。1）為最常見的界面導熱材料,常采用印刷或點涂方式進行施加。2)用于散熱器和器件之間，優(yōu)點為維修方便,價格便宜。3）因可以很好的潤濕散熱器和器件表面，減小接觸熱阻，所以其導熱熱阻很小，適合大功率器件的散熱。4）使用時需要印刷或點涂，操作費時，工藝控制要求較高，難度大。特點O-NetCommunicationsCO.,LTD.26O-NetConfidential常用的界面導熱材料——導熱硅脂通常由復合型導熱阻與硅脂厚度的關系圖硅脂厚度與組裝壓力的關系圖結論：厚度越薄，熱阻越小，因此使用時要控制厚度建議厚度：0.08-0.13mm導熱脂厚度與性能的關系O-NetCommunicationsCO.,LTD.27O-NetConfidential熱阻與硅脂厚度的關系圖硅脂厚度與組裝壓力的關系圖結論：厚度越使用方法導熱硅脂使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。導熱硅脂使用時要求采用鋼板等印刷工裝進行硅脂的印刷施加，如下圖所示，可根據(jù)實際單板布局情況靈活選擇印刷在器件或散熱器上。印刷在器件上

印刷在散熱器上

導熱硅脂印刷涂覆面積推薦占器件與散熱器總接觸面積的70％～80％.對于手工涂抹硅脂的器件，要求硅脂盡可能少，厚度盡量薄。O-NetCommunicationsCO.,LTD.28O-NetConfidential使用方法導熱硅脂使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、ThermalAging125℃結論：隨著設備的老化，導熱硅脂也會逐漸揮發(fā)（非常少），從而性能下降，光通訊模塊不建議使用。導熱硅脂的穩(wěn)定性GoodBadO-NetCommunicationsCO.,LTD.29O-NetConfidentialThermalAging125℃導熱硅脂的穩(wěn)定性Good常用的界面導熱材料——導熱墊主要應用及特點：主要用于當半導體器件與散熱表面之間有較大間隙需要填充或幾個芯片要同時要共用散熱器或散熱底盤時，但間隙不一樣的場合或加工公差加大的場合，表面粗糙度較大的場合。同時由于導熱墊的彈性，使導熱墊能減振，防止沖擊，且便于安裝和拆卸。可根據(jù)安裝環(huán)境，制備成合適的尺寸，便于安裝，效率和利用率高，組裝成本較低導熱墊(ThermalconductiveGappad)O-NetCommunicationsCO.,LTD.30O-NetConfidential常用的界面導熱材料——導熱墊主要應用及特點：導熱墊(Ther導熱墊使用時需要一定的安裝力，選用時需要考慮芯片的承受能力壓縮量越大，熱阻越小壓縮量越大，最終厚度越小，熱阻越小O-NetCommunicationsCO.,LTD.31O-NetConfidential導熱墊使用時需要一定的安裝力，選用時需要考慮芯片的承受能力壓昂納公司EDFA以及其它通訊光模塊使用壽命要求高，建議使用導熱墊，用來填充Pump與結構件之間的間隙，從而降低直接接觸熱阻。建議的導熱材料為：ChomericsG579，G974導熱墊并且可以按照PUMP大小讓供應商裁切成合適大小導熱材料選用標準：1）導熱系數(shù)和熱阻：熱性能滿足要求2）硬度：優(yōu)先選用硬度較低的材料3）絕緣性能：耐壓滿足產(chǎn)品需求4）阻燃：阻燃等級要求ChomericsG579K=3.0W/mK厚度：0.5,1.0mm推薦壓縮量30％ChomericsG974K=5.0W/mK厚度：0.25mm推薦壓縮量30％O-NetCommunicationsCO.,LTD.32O-NetConfidential昂納公司EDFA以及其它通訊光模塊使用壽命要Step1：將導熱墊貼在散熱器或器件上；Step2：垂直力撕去離心紙；使用方法導熱墊使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。O-NetCommunicationsCO.,LTD.33O-NetConfidentialStep1：將導熱墊貼在散熱器或器件上；Step2：垂直力撕四、熱管介紹熱管與風扇昂納公司使用較少，暫不做介紹。普通熱管由管殼、吸液芯和工質(zhì)組成，如圖所示。O-NetCommunicationsCO.,LTD.34O-NetConfidential四、熱管介紹熱管與風扇昂納公司使用較少，暫不在選擇風扇的時候，主要關注風量，風壓，噪音，壽命等參數(shù)是否滿足設設計要求O-NetCommunicationsCO.,LTD.35O-NetConfidential在選擇風扇的時候，主要關注風量，風壓，噪音，風扇使用注意事項：O-NetCommunicationsCO.,LTD.36O-NetConfidential風扇使用注意事項：O-NetCommunications五、散熱測試儀器介紹種類工作原理測溫范圍（℃）特點熱敏電阻電阻值隨溫度變化－200～1000小型價廉適用于一般設備熱電偶溫差電效應－200～600適用于小空間測溫響應速度快與二次儀表配套使用目前公司常用的接觸式溫度傳感儀器為：熱敏電阻，熱電偶。熱電偶使用中切勿破壞熱電偶頭部焊球。熱電偶與被測表面接觸有以下3種方式：點接觸，面接觸，等溫線接觸。在相同外界條件下：c的接觸方式最好，a的最差。O-NetCommunicationsCO.,LTD.37O-NetConfidential五、散熱測試儀器介紹種類工作原理測溫范圍（℃）特點熱敏電阻電水箱

位置總電源開關運轉功能鍵

電源

停止等觸控螢幕恒溫恒濕柜是提供一個恒定的測試環(huán)境（溫度和濕度），以供測試。內(nèi)尺寸：100*80*100（cm）外尺寸：167*113*187（cm）溫度範圍：0~100℃濕度範圍：10~98%RH恒溫恒濕柜：O-NetCommunicationsCO.,LTD.38O-NetConfidential水箱

位置總電源開關運轉功能鍵

電源

停止等觸控螢幕恒溫恒濕手持式溫度儀插上熱電偶線后能方便的顯示溫度熱電偶能配合溫度記錄儀準確測試出流體的溫度，固體以及固體壁面的溫度。風速儀能簡單測試恒溫箱流場風速溫度儀，熱電偶，風速儀：O-NetCommunicationsCO.,LTD.39O-NetConfidential手持式溫度儀插上熱電偶線后能方便的顯示溫度熱電偶能配合溫度記六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢熱仿真分析介紹:電子設備熱設計軟件是基于計算傳熱學技術（NTS）和計算流體力學技術（CFD）發(fā)展電子設備散熱設計輔助分析軟件，它可以幫助熱設計工程師驗證、優(yōu)化熱設計方案，滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需要，并可以顯著降低產(chǎn)品驗證熱測試的工作量.熱仿分析技術軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的作用1.對產(chǎn)品的溫度場作出預測，使我們在進行產(chǎn)品設計開發(fā)時關注熱點區(qū)域2.進行各種設計方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設計方案3.對產(chǎn)品的風路進行優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率O-NetCommunicationsCO.,LTD.40O-NetConfidential六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢熱仿真分析介紹:O-NetCo傳統(tǒng)的熱設計方法與仿真分析方法的比較在操作流程上面的差異傳統(tǒng)的熱設計方法利用設計者的經(jīng)驗確定出設計方案，然后利用經(jīng)驗公式進行估算，在通過試驗進行驗證，并根據(jù)試驗結果進行優(yōu)化。仿真分析軟件可以同時對多種設計方案的優(yōu)劣進行分析比較，并能夠確定出最佳的設計方案。如果軟件使用者具有足夠的熱設計經(jīng)驗，則完全可以省略試驗驗證的環(huán)節(jié)，從而達到縮短設計周期的目的。對設計者經(jīng)驗的依賴度設計周期熱設計一次成功率熱設計方案的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設計方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強長高高，裕量適中高O-NetCommunicationsCO.,LTD.41O-NetConfidential傳統(tǒng)的熱設計方法與仿真分析方法的比較對設計者經(jīng)設計周期熱設計1.電子設備的熱耗不斷增加2.用戶要求設備小巧輕便3.使用環(huán)境的多樣化4.散熱:設備失效的首要禍患電子設備的散熱問題O-NetCommunicationsCO.,LTD.42O-NetConfidential1.電子設備的熱耗不斷增加2.用戶要求設備小巧輕便3.不同級別的熱設計和熱仿真元件級環(huán)境級

系統(tǒng)級子系統(tǒng)級（組件或PCB板）O-NetCommunicationsCO.,LTD.43O-NetConfidential不同級別的熱設計和熱仿真元件級環(huán)境級系統(tǒng)級子系統(tǒng)級（組件或在什么時候進行熱仿真開始生產(chǎn)周期成本在產(chǎn)品設計早期使用CFD軟件仿真在產(chǎn)品后期使用CFD軟件進行仿真常規(guī)的產(chǎn)品設計O-NetCommunicationsCO.,LTD.44O-NetConfidential在什么時候進行熱仿真開始生產(chǎn)周期成本在產(chǎn)品設計早期使用CFD七、散熱設計實例分析冷卻方式的選擇方法案例：某電子設備的功耗為300W，機殼的幾何尺寸為248×381×432mm，在正常大氣壓下，若設備的允許溫升為40℃，試問采用那種冷卻方法比較合理？計算熱流密度：q=300/2(24.8×38.1+24.8×43.2+38.1×43.2)=0.04W/cm2根據(jù)圖查得，當△t=40℃，q=0.04W/cm2時，其交點正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所以采用自然冷卻方法就可以滿足要求。若設備的溫升有嚴格限制，假設只允許10℃，由圖可以看出，需強迫風冷才能滿足要求。O-NetCommunicationsCO.,LTD.45O-NetConfidential七、散熱設計實例分析冷卻方式的選擇方法案例：O-NetCo冷卻方式的選擇：根據(jù)熱流密度與溫升要求，按圖所示曲線關系，此方法適用于溫升要求不同的各類設備的冷卻O-NetCommunicationsCO.,LTD.46O-NetConfidential冷卻方式的選擇：O-NetCommunications密封機箱的熱設計計算密封機箱所有表面所散發(fā)的熱量在工程上可近似用下式來估算：

ΦT——密封機箱表面的散熱量，W Ss——機箱側面的有效面積，m2St——機箱頂面的表面積，m2Sb——機箱的底面積，m2

Δt——機箱的溫升值，℃σ——斯忒藩—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10－8W/(m2·K4)ε——機箱的表面黑度Tm＝0.5(T＋Ta)T——機箱的表面溫度，KTa——環(huán)境溫度，KS＝Ss＋St＋SbO-NetCommunicationsCO.,LTD.47O-NetConfidential密封機箱的熱設計計算O-NetCommunications通風機箱的熱設計計算：自然散熱的通風機箱主要經(jīng)由機箱表面散熱和自然通風帶走熱量兩種方式來進行散熱：

——通風孔處的風速，m/s，經(jīng)實驗測定，一般為0.1～0.2； A——通風孔面積，m2。O-NetCommunicationsCO.,LTD.48O-NetConfidential通風機箱的熱設計計算：O-NetCommunicat機箱的熱設計計算：[案例]有一電子設備其總功耗為55W，其外形尺寸長、寬、高分別為400mm、300mm和250mm，外殼外表面的黑度為ε=0.96，外表面的溫度為35℃，周圍環(huán)境溫度為25℃，設備內(nèi)部的空氣允許溫度為40℃，設備的四個側面及頂面只參與散熱，試進行自然冷卻設計計算。解:密封機箱的最大散熱量Qt=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σεTm3SΔT＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96×(0.4×0.3+1.4×0.25)×303×10=16.87+29.9=46.78W<Q=55W（因為只4個側面及頂面參與散熱，所以Sb不參與散熱與輻射，計算中省去）顯然，密封機箱不能夠滿足散熱要求，需開通風口通風機箱的通風面積計算：Qt=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σεTm3SΔT+1000uAΔTSin=82.2cm2Sout＝(1.5-2.0)Sin=164.4cm2O-NetCommunicationsCO.,LTD.49O-NetConfidential機箱的熱設計計算：O-NetCommunicationsQ&AO-NetCommunicationsCO.,LTD.50O-NetConfidentialQ&AO-NetCommunicationsCO.,電子設備散熱基礎知識_昂納-課件電子設備散熱基礎知識O-NetCommunicationsCO.,LTD.52O-NetConfidential電子設備散熱基礎知識O-NetCommunications一、散熱基礎知識

熱量傳遞的三種基本方式熱阻的概念二、散熱器介紹

散熱鰭片設計激光器散熱方案分析三、熱傳界面材料介紹

導熱硅脂及導熱墊詳細介紹四、熱管，風扇基礎知識五、散熱測試儀器介紹六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢七、散熱設計實例提綱O-NetCommunicationsCO.,LTD.53O-NetConfidential一、散熱基礎知識提綱O-NetCommunicatHeatsink熱傳導熱傳導熱輻射熱對流熱輻射熱對流PCBCPU一、散熱基礎知識熱量傳遞的三種基本方式：傳導、對流和輻射電子設備冷卻過程中通常三種散熱方式同時存在，同時發(fā)生Fourier導熱公式：Q=λA(Th-Tc)/xNewton對流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair)輻射4次方定律：Q=5.67e-8εA(Th4-Tc4)其中λ、α、ε分別為導熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)及表面的輻射率，A是換熱面積O-NetCommunicationsCO.,LTD.54O-NetConfidentialHeatsink熱傳導熱傳導熱輻射熱對流熱輻射熱對流PCB1.熱傳導（HeatConduction）導熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導熱定律計算：Q=λA(Th-Tc)/x

其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th與Tc分別為高溫與低溫面的溫度，x為兩個面之間的距離，單位為m。λ為材料的導熱系數(shù)，單位為W/(m℃）O-NetCommunicationsCO.,LTD.55O-NetConfidential1.熱傳導（HeatConduction）導熱過程中MaterialThermalconductivity

(W/m*K)MaterialThermalconductivity

(W/m*K)Diamond1000Fiberglass0.04Silver406.0Brick,insulating0.15Copper385.0Brick,red0.6Gold314Corkboard0.04Brass109.0Woolfelt0.04Aluminum205.0Rockwool0.04Iron79.5Polystyrene0.033Steel50.2Polyurethane0.02Lead34.7Wood0.12-0.04Mercury8.3Airat0°C0.024Ice1.6Helium(20°C)0.138Glass0.8Hydrogen(20°C)0.172Concrete0.8Nitrogen(20°C)0.0234Waterat20°C0.6Oxygen(20°C)0.0238Asbestos0.08Silicaaerogel0.003導熱系數(shù)（ThermalConductivity）O-NetCommunicationsCO.,LTD.56O-NetConfidentialMaterialThermalconductivity

(O-NetCommunicationsCO.,LTD.57O-NetConfidentialO-NetCommunicationsCO.,LTDk(insulation)=0.20W/m-C

k(wood)

=0.80W/m-Cq=kAdT/L

Acrossinsulation:

qins=(0.20)(40)(25-T)/0.076

(1)

=2631.6-105.3T

(2)

Acrosswood:

qwood=(0.80)(40)(T-4)/0.019

=1684.2T-6736.8

Heatislikeafluid:

whateverflowsthroughthe

insulationmustalsoflowthroughthewood:

qwood

=

qins

1684.2T-6736.8=2631.6-105.3T

(3)

1789.5T=9368.4

(4)

T=5.235C

(5)

q=qwood=qins

(6)

q=1684.2(5.235)-6736.8=2080W

(7)

q=2631.6-105.3(5.235)

=2080W

(8)

HeatConduction應用案例O-NetCommunicationsCO.,LTD.58O-NetConfidentialk(insulation)=0.20W/m-C

k2.熱對流（HeatConvection）對流換熱是指運動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程，這是電子設備散熱中中應用最廣的一種換熱方式。根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。前者是由于泵、風機或其他外部動力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。機柜中通常采用的風扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。O-NetCommunicationsCO.,LTD.59O-NetConfidential2.熱對流（HeatConvection）對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：Q=hA(Tw-Tair)其中：A為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Tw與Tair分別為固體壁面與流體的溫度，h是對流換熱系數(shù)：自然對流時換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過3～5W/(℃*m2)；強制對流時換熱系數(shù)在10～100W/(℃*m2)量級，實際應用時一般不會超過30W/(℃*m2）。O-NetCommunicationsCO.,LTD.60O-NetConfidential對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：O-NetCommun3.熱輻射（HeatRadiation

）輻射是通過電磁波來傳遞能量的過程，兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。物體的輻射計算公式為：E＝5.67e-8εT4物體表面之間的熱輻射計算是極為復雜的，ε是表面的黑度或發(fā)射率，該值取決于物質(zhì)種類，表面溫度和表面狀況，與外界條件無關，也與顏色無關。磨光的鋁表面的黑度為0.04,氧化的鋁表面的黑度為0.3，油漆表面的黑度達到0.8，雪的黑度為0.8。

塑料外殼表面噴漆，PWB表面會涂敷綠油，表面黑度都可以達到0.8，這些都有利于輻射散熱。對于電子設備金屬外殼，?？梢赃M行一些表面處理來提高黑度，強化散熱，例如表面陽極氧化處理，噴砂等。O-NetCommunicationsCO.,LTD.61O-NetConfidential3.熱輻射（HeatRadiation）SurfaceEmissivityCoefficient,εAluminumCommercialsheet（工業(yè)薄板）0.09AluminumAnodized（陽極氧化）0.77BlackEpoxyPaint（黑漆）0.89BrassPolished（磨光黃銅）0.03CottonCloth（棉布）0.77Copperheatedandcoveredwiththickoxidelayer0.78CopperPolished（磨光純銅）0.023-0.052Glass0.92Goldpureandhighlypolished（剖光純金）0.018-0.035Ice0.97Nickel,oxidized0.59-0.86Plastics0.91SilverPolished0.02-0.03SteelOxidized0.79SteelPolished0.07Water0.95-0.963黑度（Emissivity）O-NetCommunicationsCO.,LTD.62O-NetConfidentialSurfaceEmissivityCoefficient,4.熱阻（ThermalResistance

）熱阻計算公式：

Q=△T/Rth熱量傳遞過程中，溫度差△T是過程的動力，好象電學中的電壓，換熱量Q是被傳遞的量，好像電學中的電流，Rth稱為熱阻（thermalresistance），單位為℃/W，就像導熱過程的阻力。

器件的資料中一般都會提供器件的Rjc和Rja熱阻，Rjc是器件的結到殼的導熱熱阻；Rja是器件的結到殼導熱熱阻和殼與外界環(huán)境的對流換熱熱阻之和。O-NetCommunicationsCO.,LTD.63O-NetConfidential4.熱阻（ThermalResistance）熱阻計算兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如右圖所示，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以傳導和輻射的方式穿過該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力成為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料（如硅脂，導熱墊）填充界面間的空氣。

在設計熱傳導時，一定不能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)不同的應用情況以及所處環(huán)境選擇合適的導熱填充材料，如硅脂、導熱膜，導熱墊等。O-NetCommunicationsCO.,LTD.64O-NetConfidential兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在適當?shù)脑黾觾蓚€接觸表面上的壓力可以有效的減小接觸熱阻。右圖是接觸熱阻與接觸壓力、表面狀況之間的關系曲線。工程上常用的減小接觸熱阻方法：加大接觸表面的壓力；提高兩接觸面的精度；接觸表面增加導熱墊或?qū)峁柚瑢岣?；O-NetCommunicationsCO.,LTD.65O-NetConfidential適當?shù)脑黾觾蓚€接觸表面上的壓力可以有效的減小接二、散熱器介紹散熱器即為一散熱擴展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)劣。WorkstationHeatsinkChipHeatsinkServerHeatsinkO-NetCommunicationsCO.,LTD.66O-NetConfidential二、散熱器介紹散熱器即為一散熱擴展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)散熱器設計步驟1，根據(jù)相關約束條件設計輪廓圖2，根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚，齒形，齒間距，基板厚度進行優(yōu)化3，對散熱器進行校核計算O-NetCommunicationsCO.,LTD.67O-NetConfidential散熱器設計步驟O-NetCommunications考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層容易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于6mm，如果散熱器齒高小于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。自然對流的散熱器表面一般要提高表面黑度的處理，表面顏色可以任意選擇，以增大散熱器表面的輻射系數(shù)，強化輻射散熱。由于自然對流達到熱平衡的時間比較長，所以自然對流的基板以及齒厚應足夠，以抗擊瞬時的熱沖擊，基板厚度建議大于5mmO-NetCommunicationsCO.,LTD.68O-NetConfidential考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個鰭片形狀經(jīng)驗設計：鰭片間距：對于自然對流，肋片間距要在4mm以上肋片角度：約為3°O-NetCommunicationsCO.,LTD.69O-NetConfidential鰭片形狀經(jīng)驗設計：O-NetCommunications散熱器基板優(yōu)化：O-NetCommunicationsCO.,LTD.70O-NetConfidential散熱器基板優(yōu)化：O-NetCommunications不同風速下散熱器齒間距選擇方法：O-NetCommunicationsCO.,LTD.71O-NetConfidential不同風速下散熱器齒間距選擇方法：O-NetCommunic激光器散熱設計方案分析：正確安裝激光器模塊，并且保證與熱沉接觸良好是激光器正常工作的必要保證條件。

圖示所示為一種激光器散熱良好的安裝原理，激光器主要導熱方向是從芯部向下，所以在激光器下部適當安裝一個熱沉，并且配合上導熱接觸材料（導熱硅脂，導熱墊等），在焊接激光器過程中，推薦的壓力為200KPa（~30psi，15N）。F：200KPa，~30psi，15NThermalinterface：ChomericsG579，G974導熱墊Dow-corningTC-5121導熱硅脂O-NetCommunicationsCO.,LTD.72O-NetConfidential激光器散熱設計方案分析：正確安裝激光器模塊，并案例：器件的散熱措施與封裝不匹配——散熱設計事倍功半下圖所示散熱方案設計沒有根據(jù)器件內(nèi)部封裝結構，雖然整個光模塊還加工了散熱片，但激光器產(chǎn)生的熱量沒有一個很好的導熱路徑，激光器在工作過程中，殼體溫度非常有可能會超過規(guī)格。O-NetCommunicationsCO.,LTD.73O-NetConfidential案例：器件的散熱措施與封裝不匹配——散熱設計事倍功半O-Ne好的散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計!根據(jù)不同封裝的器件采用不同的散熱處理方式！O-NetCommunicationsCO.,LTD.74O-NetConfidential好的散熱方案必須針對器件的散熱特性進行設計!O-NetCo三、熱傳界面材料介紹導熱材料能填充界面間隙，降低界面熱阻！熱傳界面材料主要包括：導熱硅脂，導熱膠，導熱墊等主要用于填充熱源與散熱器之間的面與面的間隙，從而減小接觸熱阻，改善熱源散熱性能。O-NetCommunicationsCO.,LTD.75O-NetConfidential三、熱傳界面材料介紹導熱材料能填充界面熱傳界面TIM(Grease及Thermalpad)使用原理Heatsink與芯片表面并非光滑無間，兩表面接觸面存在間隙。因空氣為熱的不良導體，熱傳導系數(shù)K值僅0.026W/m.K。依間隙尺寸5μm，芯片功率45W，芯片尺寸20*13mm計算，芯片T-c與散熱器之間兩者溫差為：△T=Q*d/(A*K)=45*0.000005/(0.02*0.013*0.023)≈37.6℃。若使用填充介質(zhì)，設填充介質(zhì)K值為3.3W/m.K，則△T=45*0.000005/(0.02*0.013*3.3)≈0.26℃CPUFanHeatsinkHeatsinkCPU間隙O-NetCommunicationsCO.,LTD.76O-NetConfidentialTIM(Grease及Thermalpad)使用原理He常用的界面導熱材料——導熱硅脂通常由復合型導熱固體填料、高溫合成油（基礎油如硅油），并加有穩(wěn)定劑和改性添加劑調(diào)配而成的均勻膏狀物質(zhì)，常用的導熱脂為白色，也有灰色或金色的導熱脂等顏色。導熱顆粒通常采用氧化鋅、氧化鋁、氮化硼、氧化銀、銀粉、銅粉等。1）為最常見的界面導熱材料,常采用印刷或點涂方式進行施加。2)用于散熱器和器件之間，優(yōu)點為維修方便,價格便宜。3）因可以很好的潤濕散熱器和器件表面，減小接觸熱阻，所以其導熱熱阻很小，適合大功率器件的散熱。4）使用時需要印刷或點涂，操作費時，工藝控制要求較高，難度大。特點O-NetCommunicationsCO.,LTD.77O-NetConfidential常用的界面導熱材料——導熱硅脂通常由復合型導熱阻與硅脂厚度的關系圖硅脂厚度與組裝壓力的關系圖結論：厚度越薄，熱阻越小，因此使用時要控制厚度建議厚度：0.08-0.13mm導熱脂厚度與性能的關系O-NetCommunicationsCO.,LTD.78O-NetConfidential熱阻與硅脂厚度的關系圖硅脂厚度與組裝壓力的關系圖結論：厚度越使用方法導熱硅脂使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。導熱硅脂使用時要求采用鋼板等印刷工裝進行硅脂的印刷施加，如下圖所示，可根據(jù)實際單板布局情況靈活選擇印刷在器件或散熱器上。印刷在器件上

印刷在散熱器上

導熱硅脂印刷涂覆面積推薦占器件與散熱器總接觸面積的70％～80％.對于手工涂抹硅脂的器件，要求硅脂盡可能少，厚度盡量薄。O-NetCommunicationsCO.,LTD.79O-NetConfidential使用方法導熱硅脂使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、ThermalAging125℃結論：隨著設備的老化，導熱硅脂也會逐漸揮發(fā)（非常少），從而性能下降，光通訊模塊不建議使用。導熱硅脂的穩(wěn)定性GoodBadO-NetCommunicationsCO.,LTD.80O-NetConfidentialThermalAging125℃導熱硅脂的穩(wěn)定性Good常用的界面導熱材料——導熱墊主要應用及特點：主要用于當半導體器件與散熱表面之間有較大間隙需要填充或幾個芯片要同時要共用散熱器或散熱底盤時，但間隙不一樣的場合或加工公差加大的場合，表面粗糙度較大的場合。同時由于導熱墊的彈性，使導熱墊能減振，防止沖擊，且便于安裝和拆卸。可根據(jù)安裝環(huán)境，制備成合適的尺寸，便于安裝，效率和利用率高，組裝成本較低導熱墊(ThermalconductiveGappad)O-NetCommunicationsCO.,LTD.81O-NetConfidential常用的界面導熱材料——導熱墊主要應用及特點：導熱墊(Ther導熱墊使用時需要一定的安裝力，選用時需要考慮芯片的承受能力壓縮量越大，熱阻越小壓縮量越大，最終厚度越小，熱阻越小O-NetCommunicationsCO.,LTD.82O-NetConfidential導熱墊使用時需要一定的安裝力，選用時需要考慮芯片的承受能力壓昂納公司EDFA以及其它通訊光模塊使用壽命要求高，建議使用導熱墊，用來填充Pump與結構件之間的間隙，從而降低直接接觸熱阻。建議的導熱材料為：ChomericsG579，G974導熱墊并且可以按照PUMP大小讓供應商裁切成合適大小導熱材料選用標準：1）導熱系數(shù)和熱阻：熱性能滿足要求2）硬度：優(yōu)先選用硬度較低的材料3）絕緣性能：耐壓滿足產(chǎn)品需求4）阻燃：阻燃等級要求ChomericsG579K=3.0W/mK厚度：0.5,1.0mm推薦壓縮量30％ChomericsG974K=5.0W/mK厚度：0.25mm推薦壓縮量30％O-NetCommunicationsCO.,LTD.83O-NetConfidential昂納公司EDFA以及其它通訊光模塊使用壽命要Step1：將導熱墊貼在散熱器或器件上；Step2：垂直力撕去離心紙；使用方法導熱墊使用前，需要用干凈碎棉布沾酒精進行先將器件、散熱器表面擦洗干凈。O-NetCommunicationsCO.,LTD.84O-NetConfidentialStep1：將導熱墊貼在散熱器或器件上；Step2：垂直力撕四、熱管介紹熱管與風扇昂納公司使用較少，暫不做介紹。普通熱管由管殼、吸液芯和工質(zhì)組成，如圖所示。O-NetCommunicationsCO.,LTD.85O-NetConfidential四、熱管介紹熱管與風扇昂納公司使用較少，暫不在選擇風扇的時候，主要關注風量，風壓，噪音，壽命等參數(shù)是否滿足設設計要求O-NetCommunicationsCO.,LTD.86O-NetConfidential在選擇風扇的時候，主要關注風量，風壓，噪音，風扇使用注意事項：O-NetCommunicationsCO.,LTD.87O-NetConfidential風扇使用注意事項：O-NetCommunications五、散熱測試儀器介紹種類工作原理測溫范圍（℃）特點熱敏電阻電阻值隨溫度變化－200～1000小型價廉適用于一般設備熱電偶溫差電效應－200～600適用于小空間測溫響應速度快與二次儀表配套使用目前公司常用的接觸式溫度傳感儀器為：熱敏電阻，熱電偶。熱電偶使用中切勿破壞熱電偶頭部焊球。熱電偶與被測表面接觸有以下3種方式：點接觸，面接觸，等溫線接觸。在相同外界條件下：c的接觸方式最好，a的最差。O-NetCommunicationsCO.,LTD.88O-NetConfidential五、散熱測試儀器介紹種類工作原理測溫范圍（℃）特點熱敏電阻電水箱

位置總電源開關運轉功能鍵

電源

停止等觸控螢幕恒溫恒濕柜是提供一個恒定的測試環(huán)境（溫度和濕度），以供測試。內(nèi)尺寸：100*80*100（cm）外尺寸：167*113*187（cm）溫度範圍：0~100℃濕度範圍：10~98%RH恒溫恒濕柜：O-NetCommunicationsCO.,LTD.89O-NetConfidential水箱

位置總電源開關運轉功能鍵

電源

停止等觸控螢幕恒溫恒濕手持式溫度儀插上熱電偶線后能方便的顯示溫度熱電偶能配合溫度記錄儀準確測試出流體的溫度，固體以及固體壁面的溫度。風速儀能簡單測試恒溫箱流場風速溫度儀，熱電偶，風速儀：O-NetCommunicationsCO.,LTD.90O-NetConfidential手持式溫度儀插上熱電偶線后能方便的顯示溫度熱電偶能配合溫度記六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢熱仿真分析介紹:電子設備熱設計軟件是基于計算傳熱學技術（NTS）和計算流體力學技術（CFD）發(fā)展電子設備散熱設計輔助分析軟件，它可以幫助熱設計工程師驗證、優(yōu)化熱設計方案，滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需要，并可以顯著降低產(chǎn)品驗證熱測試的工作量.熱仿分析技術軟件在產(chǎn)品開發(fā)中的作用1.對產(chǎn)品的溫度場作出預測，使我們在進行產(chǎn)品設計開發(fā)時關注熱點區(qū)域2.進行各種設計方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設計方案3.對產(chǎn)品的風路進行優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率O-NetCommunicationsCO.,LTD.91O-NetConfidential六、仿真介紹以及散熱發(fā)展趨勢熱仿真分析介紹:O-NetCo傳統(tǒng)的熱設計方法與仿真