热设计培训文档V1.0

热设计培训V1.0通常情况下，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；高温下LED出光率降低，寿命缩短。温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。电子设备发展趋势1.1.热耗上升化热耗上升化2.2.设备小巧化设备小巧化3.3.环境多样化环境多样化基本理论---传热的三种基本方式导热Fourier定律：对流Newton冷却定律：辐射Stefan-Bolzman定律：cQ=-AλΔTQ=-hAΔTh4412Q=A(TT)导热系数一种长1m、断面积为1m2的材料，其两端的温度差为1℃时，会流动多少W热阻热量传递过程中，温度差是传热过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermalresistance),单位为℃/W，其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的份热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构一计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。Q=△T/R产品设计流程立项设计验证对策量产NGOK立项设计试产验证热设计量产NGOK仿真验证OK结构工程师结构工程师散热工程师热设计流程热设计分类芯片级板级系统级芯片级板级散热方式选择PCB设计散热器选型设计散热方式选择根据器件功耗、封装、使用环境、市场需求选择散热方式（自然对流，强迫对流，液冷等）例：现有一只S-7封装的硅功率半导体器件，查器件手册得知其极限运用温度=150℃，现根据其工作条件决定工作环境温度Ta=70℃。1、求它在不带散热器时的极限功耗。2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度T为125℃，求它在不带散热器时的极限环境温度。解：查器件手册得封装的器件热阻为63℃/WR=Δt/QQ=Δt/R=150-70/63=1.269W也就是说，S-7封装的器件在不带散热器，并运行在极限运用温度T=150℃，工作环境温度T=70℃时的允许功耗不得超过1.269W同样由热阻公式可得：Δt=R*Q;Δt=Tj-Ta所以Ta=Tj-Q*R=125-0.75X63=77.75℃PCB设计PCB材质&层数&过孔&铜含量&铺铜面积散热器选型、设计散热器分类：散热器设计目前，已经有许多经验公式和图表可以用来对在自然对流情况下散热器的各参数进行粗略的确定，这里将对散热器的设计步骤进行一下简单介绍：(1)散热器包络体积所谓包络体积是指散热器所占的体积，如图所示。如果发热功率大，所需的散热器体积就比较大。散热器的设计可就包络体积做初步的设计，然后再对散热器的细节部分（如肋片及基板尺寸）做详细设计。发热瓦数和包络体积的关系：logV=1.4×logQ−0.8式中，Q为散热器总耗散功率，V为散热器包络体积，cm3，最小值为1.5。散热器使用时，通常会对其长、宽或高参数进行限制，根据限制条件就可以确定出某一参数，其它两个参数的成积也就确定。(2)散热器基板厚度如下图所示的变截面基板固然散热效率较大，其加工性比较差，使用中并不常见。实际应用中使用的普遍是等厚度的基板，基板厚度与散热功率之间的关系：t=7×logQ−6式中，t为基板厚度，mm，最小值为2。对于自然对流，肋片厚度T（mm）、基板厚度t(mm)与肋片高度h(mm)参考值如下表所示(3)散热器肋高与肋间距考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果肋间距太小，两个肋的热边界层交叉，影响肋表面的对流，所以一般情况下间距大于6mm。如果散热器肋高低于10mm，可以按照肋间距不小于1.2倍肋高来确定散热器的肋间距。对于强制冷却，肋间距可以根据流过其空气流速的大小来调整肋间距。表2给出了流速与散热器肋间距的关系铝挤散热器工艺流程间隙填充材料（TIM）由于机械加工不可能做出理想化的平整面，因此在CPU与散热器之间存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。空气的导热系数很低，因此必须用其他物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。于是导热介质就应运而生了，它的作用就是填充处理器与散热器之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。因此，热传导只是导热介质的一个作用，增加CPU和散热器的有效接触面积才是它最重要的作用。为适应不同场合的应用需求，厂商开发了很多间隙材料来满足使用需求。效能增强技术热管热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术，1963年由美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明了，并由IBM最初引入笔记本中。热管，又称“热之超导体”。其核心作用是导热。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍。典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽到的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据需要可以在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。热管的作用是传热而不是散热主要有两种用法：一种是把热量从一处传递到另外一处去散发。另外一种是用于大散热器基板或者散热器fin片的均热VAPORCHAMBER-热板工作原理图如下图所示：集中热源对VC基板局部加热，导致该处工质沸腾蒸发，由于流动阻力极小，工质蒸汽在蒸汽空间内快速完全扩展并在安装翅片一侧的冷端面放热冷凝，冷凝后的工质液体再经由吸液芯结构输运至热源处再次蒸发，从而完成工质循环和热量传递。测试研究表明，该种新型散热器的基板平面方向的当量导热系数值可达4000W/mK的水平，是纯铜材料的十倍以上，可以极大改善局部热点问题。系统级风扇选型风道设计可靠性风扇类别轴流风扇叶片推动空气以与轴相同的方向流动。工作时，绝大部分气流的流向与轴平行，换句话说就是沿轴线方向。轴流风扇当入口气流是0静压的自由空气时，其功耗最低，当运转时会随着气流反压力的上升功耗也会增加。轴流风扇结构紧凑，可以节省很多空间，同时安装方便，因此得到广泛的应用。特点：较高的流率，中等风压离心风扇叶片推动空气以与轴相垂直的方向（即径向）流动，进气是沿轴线方向，而出气却垂直于轴线方向。大多数情况下，使用轴流风扇就可以达到冷却效果，然而，有时候如果需要气流旋转90度排出或者需要较大的风压时，就必须选用离心风扇。特点：有限流率，高风压混流风扇乍看，混流风扇和轴流风扇没什么不同，其实，混流风扇的进气是沿轴线的，然而出气却是沿轴线和垂轴线的对角线方向。这种风扇由于叶片和外罩称圆锥形，因此致使风压较高，在相同尺寸和其他可比性能下，与轴流风扇相比，离心风扇的噪声更低。其特点：高流率和相对较高的风压轴承类型含油轴承(SleeveBearing)是使用滑动摩擦的套筒轴承，使用润滑油作为润滑剂和减阻剂，初期使用时运行噪音低，制造成本也低，但是这种轴承磨损严重，寿命较滚珠轴承有很大差距。滚珠轴承(BallBearing)属于比较高档的轴承，采用滚动摩擦的形式，采用了两个滚珠轴承，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇页或轴心转动时，钢珠即跟着转动。因为都是球体，所以摩擦力较小，且不存在漏油的问题。含油轴承(SleeveBearing)单滚珠轴承(1Ball+1SleeveBearing)双滚珠轴承(2BallBearing)改良版轴承(RifleBearing、HyproBearing、HydraulicBearingVAPOBearing、MagneticBearing、NANOCeramicBearing…)性能对比风扇选型选择正确的通风组件，必须考虑下列目标：最好的空气流动效率最小的适合尺寸最小的噪音最小的耗电量最大的可靠度与使用寿命合理的总成本基本步骤1.确定风量2.确定系统阻抗特性曲线3.系统工作点Q（CFM）=1.76*P/△TP:系统功耗；△T：允许的温升DP=KQnK=系统特定系数；Q=风量n=扰流因素，1n2平层气流时，n=1；乱流气流时，n=2注意此时的风扇静态效率(风量×风压÷耗电)为最优化风扇特性曲线P-QcurveP--staticpressure（inAq）可以把它理解为超越环境阻力的能力，最大静压力是风扇能产生的最大能量。当环境压力低于最大静压力时，有气流产生。静压力越大，风扇输出风量的能力越强。Q--airflowrate（CFM）表示由风扇在单位时间内输出的流量。风扇串并联特性曲线风扇噪音轴流式风扇工作时，动叶周期性地承受前面静叶出口不均匀气流的脉动力作用，动叶后的静叶也同样承受动叶出口不均匀气流的作用，产生噪声；另一方面，由于叶片本身及叶片上压力的不均匀分布，转动时对周围气体及零件的扰动也构成旋转噪声；离心式风机工作时也由于叶片尾迹，使气流的压力和速度不均匀地作用在它的固定组件上，产生旋转噪声。此外由于气体流经叶片时产生湍流附层面、旋涡及旋涡脱离，引起叶片上压力分布的脉动而产生涡流噪声。旋转噪声和涡流噪声合成了机器的气动噪声。FANLAW风扇转速发生改变时流量CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)压头P2=P1(RPM2/RPM1)2功耗HP2=HP1(RPM2/RPM1)3噪声N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)抽风？吹风？吹风的优缺点：风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况，此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件。吹风时将在机柜内形成正压，可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱。风扇将不会受到系统散热量的影响，工作在在较低的空气温度下，风扇寿命较长。由于吹风有一定方向性，对整个插框横截面上的送风量会不均匀。在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区，换热较差，最好将风扇与插框保持50mm以上的间距，使送风均匀化。抽风的特点：送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂的情况。进入风扇的流动主要为层流状态。风扇将在出风口高温气流下工作，寿命会受影响。机柜内形成负压，缝隙中的灰尘将进入机柜/箱。流场对比风道设计强迫风冷中风道的设计非常重要。以下是设计的一些基本原则：1.尽量采用直通风道，避免气流的转弯。2.在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小。3.尽量避免骤然扩展和骤然收缩。4.进出风口尽量远离，防止气流短路。5.在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路。6.为避免上游插框的热量带入下游插框，影响其散热，可以采用独立风道，分开散热。风道设计应保证插框单板或模块散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点。对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量,避免风道阻力不合理布局要避免风道的高低压区的短路风道优化实例针脚定义PinNameColor1GNDblack2+12VDCor+5VDCred3TachometricSignalyellowPinNameColor1GNDblack2+12VDCor+5VDCyellow3TachometricSignalgreen4Controlblue风扇测试项目低溫試驗LowTemperatureTest溼度試驗DampHeatTest可靠度試驗(ReliabilityTest)電流與轉速測試Current&SpeedTest溫度循環試驗ThermalCyclingTestForCustomer低壓啟動測試LowVoltageStartTest申請單Applica