散熱設(shè)計(jì)知識(shí)ppt課件.ppt

1、2020/9/3,散熱設(shè)計(jì)知識(shí),威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司 清華大學(xué)電子工程系 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,1,2020/9/3,熱傳導(dǎo)三種類(lèi)型,(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction),定義：,熱量從物體中溫度較高的部分傳到溫度較低的部分或者從溫度較高的物體傳到與其接觸的溫度較低的物體。,物體各部分間無(wú)宏觀(guān)相對(duì)位移;,熱量在傳遞過(guò)程中無(wú)能量形式的變化。,特點(diǎn)：,2,2020/9/3,計(jì)算公式：,(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction),l為導(dǎo)熱系數(shù)，(熱導(dǎo)率)，W/(m . oC),熱傳導(dǎo)三種類(lèi)型,3,2020/9/3,(2) 熱對(duì)流(Convection),特點(diǎn)：,流體各部分

2、間發(fā)生宏觀(guān)相對(duì)位移；,熱量在傳遞過(guò)程中無(wú)能量形式的變化；,只能發(fā)生在流體中；,必然拌有導(dǎo)熱現(xiàn)象。,熱傳導(dǎo)三種類(lèi)型,定義：,在流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞。,4,2020/9/3,(2) 熱對(duì)流(Convection),對(duì)流換熱：,流體流過(guò)固體壁面時(shí)的熱量交換。,熱傳導(dǎo)三種類(lèi)型,對(duì)流換熱的計(jì)算公式：,l為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2 . oC),5,2020/9/3,(3) 熱輻射(Thermal Radiation),輻射,：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程,Radiation is a process that the energy may be transferred

3、 by electromagnetic wave.,由于熱的原因而產(chǎn)生的輻射，物體將內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪?，或者物體吸收電磁波而變?yōu)閮?nèi)能。,特點(diǎn)：,能量可在真空中傳播;,熱量在傳遞過(guò)程中發(fā)生形式上的變化。,計(jì)算公式：,為常數(shù)，5.669710-8W/(m2 . oC4),熱傳導(dǎo)三種類(lèi)型,6,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),一種常見(jiàn)的散熱方式,7,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),工程傳熱問(wèn)題可分為兩種類(lèi)型,b 確定溫度場(chǎng),a 計(jì)算傳熱量,8,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),單位時(shí)間、單位面積上的傳熱量(熱流密度)與溫度梯度成正比。,傅立葉定律 Fouriers Law (1822年),傅立

4、葉定律導(dǎo)熱的基本定律,The heat transferred per unit area and per unit time (heat flux) is proportional to the temperature gradient.,l導(dǎo)熱系數(shù),W/(m),9,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),假設(shè)：,1、連續(xù)介質(zhì)；,2、各向同性；,所依據(jù)的定律：,傅立葉定律、能量守恒定律,3、均勻內(nèi)熱源，強(qiáng)度 為 (W/m3);,4、密度、比熱為常數(shù)。,10,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時(shí)：,一、直角坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱微分方程,11,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),如果無(wú)內(nèi)熱

5、源：傅立葉方程,如果穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源：拉普拉斯方程,如果穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：泊松方程,12,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),第一類(lèi)邊界條件：給定物體邊界上任何時(shí)刻的溫度分布。,邊界條件,第二類(lèi)邊界條件：給定物體邊界上任何時(shí)刻的熱流密度。,第三類(lèi)邊界條件：給定物體邊界與周?chē)黧w間的對(duì)流換 熱系數(shù) h 及流體的溫度tf。,13,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),熱導(dǎo)率為常數(shù)k,且兩表面溫度均勻恒定的均質(zhì)平板中的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題是最簡(jiǎn)單的傳熱問(wèn)題,取梯度方向?yàn)閤,將傅立葉方程分離變量并積分可得,整理可得：,x/kA稱(chēng)作熱阻，可以看作類(lèi)似電阻的物理量，并聯(lián)、串聯(lián)定理仍然成立,一維導(dǎo)熱問(wèn)題熱阻,14,2020/

6、9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),定義：在兩個(gè)物體交界面上有熱量傳遞時(shí)，界面上將產(chǎn)生一定的溫度降落，引起這種溫度降落的熱阻稱(chēng)為接觸熱阻。,15,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),1、提高對(duì)流換熱系數(shù)；,2、降低tf；常常是不實(shí)際的；,3、增大換熱面積，常用辦法。,在表面溫度tw一定時(shí)，提高傳熱量的辦法：,延展表面：是在固體上凸出的、在其內(nèi)部由熱傳導(dǎo)傳遞熱量而在界面上與周?chē)h(huán)境之間由對(duì)流(和/或輻射)傳遞熱量的表面。,16,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),代入傅立葉方程可以得出解析表達(dá)式，算出延展表面的導(dǎo)熱量，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算,17,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),考慮右圖

7、的微體積元，根據(jù)體積元內(nèi)質(zhì)量的變化等于流入與流出質(zhì)量之差可得流體的連續(xù)性方程：,其中，u,v,w分別是x,y,z方向的流速，是流體密度，如果流體定常，則有,對(duì)流相關(guān)流體方程,18,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài),動(dòng)量方程,對(duì)流相關(guān)流體方程,能量方程,其中，a=k/c，k為導(dǎo)熱系數(shù)， 是密度，c為恒壓熱容,19,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),速度邊界層,速度邊界層定義：壁面到99%U的區(qū)域，,對(duì)流相關(guān)邊界層,將流場(chǎng)分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個(gè)區(qū)域,在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會(huì)產(chǎn)生較大的粘性切應(yīng)力,由于管壁和流體之間存在黏性，管壁附近的流體速度存在梯度,20,

8、2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),對(duì)流相關(guān)邊界層,層流(laminar)：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，彼此平行 隨著流速變快，層流變成湍流 湍流(turbulent)：流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，不平穩(wěn),21,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),對(duì)流相關(guān)邊界層,流體流動(dòng)時(shí)的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱(chēng)為雷諾數(shù)。用符號(hào)Re表示，無(wú)量綱參數(shù),一般： Re4000:湍流,22,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),對(duì)流相關(guān)邊界層,貝克萊數(shù)：用P或Pe表示，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值，用來(lái)表示對(duì)流與擴(kuò)散的相對(duì)比例。隨著Pe數(shù)的增大，輸運(yùn)量中擴(kuò)散輸運(yùn)的比例減少，對(duì)流輸運(yùn)的比例增大。,23,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大

9、學(xué),邊界層要點(diǎn)：,當(dāng)粘性流體流過(guò)固體表面時(shí)，可以將流動(dòng)劃為邊界層區(qū)和 主流區(qū)。,邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個(gè)非常小量。,在邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊 靠壁面處仍有極薄的一層保持層流流動(dòng)，稱(chēng)為層流底層。,溫度也存在邊界層。 對(duì)流傳熱的計(jì)算非常復(fù)雜，一般都采用數(shù)值模擬計(jì)算，確定雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)可以確定采用何種模型進(jìn)行計(jì)算,對(duì)流相關(guān)邊界層,24,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),電子系統(tǒng)散熱方法,芯片級(jí) 通過(guò)設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)使芯片熱量迅速傳遞到芯片表面 封裝級(jí) 設(shè)計(jì)合適的封裝結(jié)構(gòu)和固晶方式，將熱量迅速?gòu)腖ED 芯片導(dǎo)出到散熱裝置上面 系統(tǒng)級(jí) 為產(chǎn)品設(shè)計(jì)合適的散熱方式，將產(chǎn)生的

10、熱量散到環(huán)境中,25,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),芯片級(jí)散熱（以L(fǎng)ED為例）,電子系統(tǒng)散熱方法,普通LED器件,倒裝焊LED器件,26,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),電子系統(tǒng)散熱方法,封裝級(jí)散熱（以L(fǎng)ED為例） 第一、封裝成本必須價(jià)格低廉；第二、良好的電和熱傳導(dǎo)；第三、熱應(yīng)力和可靠性，少熱應(yīng)力需要改進(jìn)散熱管理，使光源內(nèi)的溫度梯度達(dá)到最?。坏谒?、與紫外和可見(jiàn)光兼容，在紫外和可見(jiàn)光照射下不老化，光吸收比較少。,目前，常用技術(shù)： 改進(jìn)焊料，采用高導(dǎo)熱率的焊料AuSn共晶焊 采用高導(dǎo)熱率的熱沉AlN陶瓷 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),27,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),電子系統(tǒng)散熱方法,共晶是指在

11、相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經(jīng)過(guò)塑性階段。其熔化溫度稱(chēng)共晶溫度。AuSn共晶焊料有廣泛的應(yīng)用 2.5 W/mK 20 W/mK 57W/mK (silver colloid) (silver colloid) (Au-Sn solder),AlN陶瓷是優(yōu)良的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱率可達(dá)300 W/mK以上 ，是LED常用的導(dǎo)熱材料；金屬Al導(dǎo)熱率可達(dá)200 W/mK左右，價(jià)格便宜，也是常用散熱材料,28,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),電子系統(tǒng)散熱方法,系統(tǒng)級(jí)散熱,自然散熱，完全依靠自身的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱，成本最低，能力也最差。 加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱，借助

12、強(qiáng)迫對(duì)流散熱，熱量可以更迅速地?cái)U(kuò)散。但是這種散熱方式增加了成本和電損耗，而且風(fēng)扇的壽命有限，風(fēng)扇在運(yùn)行中有一定噪音。另外，這種散熱方式用在戶(hù)外燈具上由于防水的要求使用效果會(huì)比較差。 熱管散熱，與加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱相比，熱管散熱技術(shù)不需要增加額外的控制電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，外觀(guān)帶來(lái)很大的問(wèn)題，增大了體積。另外，高效率的熱管成本也比較高。 半導(dǎo)體制冷。半導(dǎo)體制冷具有壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。但是成本很高，使用條件要求苛刻。使用方法不恰當(dāng)反而會(huì)增大散熱的負(fù)擔(dān)。,29,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),散熱設(shè)計(jì)軟件Icepak,設(shè)計(jì)不同的散熱系統(tǒng)需要進(jìn)行建模、計(jì)算，手工進(jìn)行是不現(xiàn)實(shí)的，需要使用計(jì)

13、算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì) 一款常用的設(shè)計(jì)軟件Icepak Icepak是FLUENT公司的一款面向工程師開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)電子產(chǎn)品熱分析軟件。包括建模、網(wǎng)格和后處理工具，以及FLUENT求解器。首先在建模工具內(nèi)建立物理模型，然后指定網(wǎng)格約束條件，生成網(wǎng)格，使用FLUENT求解器求解FVM（有限體積模型）方程，得出溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)的分布，再通過(guò)后處理工具可視化處理。能夠計(jì)算電子設(shè)備部件級(jí)，板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題。,30,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),Icepak應(yīng)用舉例,問(wèn)題描述 機(jī)柜包含5個(gè)高功率的設(shè)備（密封在一個(gè)腔體內(nèi)），一塊背板plate，10 個(gè)翅片fins，三個(gè)fans, 和一個(gè)自由開(kāi)孔，如圖1.1 所示。Fins 和plate 用xtruded aluminum. 每個(gè)fan質(zhì)量流量為0.01kg/s，每個(gè)ource 為33W.根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度為20C 時(shí)設(shè)備的基座不能超過(guò)65C。,31,2020/9/3,北洋集團(tuán)清華大學(xué),建立箱體模型,確定熱源功率、風(fēng)扇功率、散熱片材料、尺寸，確定