第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計

1、第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章 電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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)計處理不當是導致現(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

2、與熱變形最終導致元件失效。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 溫度超過一定值時，元器件的失效率 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 電子設(shè)備的熱環(huán)境包括：環(huán)境溫度和壓力 （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。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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有：CP

3、U，NB （北橋）,SB（南橋）,TCP（薄膜封裝）,MOSFET,LED 等等。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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、對流、輻射。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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 紊流器 熱沉 2.熱名詞 熱傳導 熱對流 熱輻射 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.2.2電子產(chǎn)品的熱環(huán)境 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.3 筆

4、記本電腦散熱設(shè)計實例分析 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 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.3.3 筆記本散熱方式 1.風扇散熱 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 軸向型風扇 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 輻射型風扇 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 導熱銅管設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 2.機身、外殼散熱 鎂鋁合金質(zhì)堅量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強，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 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 鍵盤對流散熱 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 3.3.散熱底座散熱底座 筆記本的散熱底座的散熱原理主要有兩種：

5、1.單純通過物理學上的導熱原理實現(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，抬高筆記本以促進空氣流 通和熱量輻射，可以達到散熱效果。 2.2.在散熱底座上面再安裝若干個散熱風扇來提高散熱性能。這 種風冷散熱方式包括吹風和吸風兩種方式。兩種方式差別在于 氣流形式不同，吹風時產(chǎn)生的是紊流，屬于主動散熱，風壓大 但容易受到阻力損失，筆記本底部和散熱底座實際組成了一個 封閉空間，所以一般吸風散熱方式更符合風流設(shè)計規(guī)范。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 抬高筆記本的散熱底座 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計帶散熱風扇的散熱底座 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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、

6、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，使用風冷散熱器的體系在運行CPU負載較大時， 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。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 CPU的水冷散熱系統(tǒng) 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 水冷系統(tǒng)下的筆記本溫度曲線 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.3.4埃普八爪魚筆記本散熱器 埃普八爪魚散

7、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支架，參考八爪魚仿生學設(shè)計，主 體采用鋁合金結(jié)構(gòu)和高強度工程塑料材料，設(shè)計精巧，做工 優(yōu)良，外觀造型獨特，具有很高的實用性和便攜性。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 主體采用的是鋁合金壓鑄，表面細噴沙金 屬電鍍，質(zhì)感高檔的同時保障了使用強度， 美觀耐用，并配有兩個高速靜音風扇，采 用USB供電，提高電腦散熱性能。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 埃普八爪魚散熱底座的包裝 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 細節(jié)欣賞 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 未使用八爪魚散熱器前魯大師測試結(jié)果 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 使用八爪魚散熱器后魯大師軟件測試結(jié)果

8、第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.4電子產(chǎn)品熱設(shè)計實例： 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”，或者說是高導熱性接觸面技術(shù)。 他們從樹木的根系和人的血管系統(tǒng)得到啟發(fā)，在散熱片底部開 辟出了粗細不同，互相連接的渠道。也就是散熱片的底部也通 過細微的高低不平增大了接觸面積。這樣，當通過硅或銀質(zhì)的 導熱介質(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

9、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的蘇黎世實驗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。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 芯片帽示意圖 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 構(gòu)想中直接噴射沖擊技術(shù)的 散熱片表面 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.4.1整機散熱設(shè)計 1.確定整機的消耗和分布 2.根據(jù)整機結(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行分析 4.針對分析結(jié)果可利用熱分析軟件進一步驗證 5.對散熱方

10、案進行調(diào)整進而最后確定 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 比較優(yōu)秀的整機散熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.4.2機殼的熱設(shè)計 電子設(shè)備的機殼是接受設(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。機殼熱設(shè)計應(yīng)注意下列問題： 1.增加機殼內(nèi)外表面的黑度，開通風孔等都能減低電子設(shè)備內(nèi)部元器件 的溫度 2.機殼內(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.在機殼內(nèi)外表面黑化的基礎(chǔ)上，合理改進通風結(jié)構(gòu) 5.通風口的位置應(yīng)注意氣流短路而影響散熱效果，通風口的

11、進出應(yīng)開在 溫差最大的兩處，進風口要低，出風口要高 6.在自然散熱時，通風孔面積的計算至關(guān)重要 7.結(jié)構(gòu)要簡單，不易落灰，又要滿足強度，電磁兼容性要求和美觀大方 8.減小發(fā)熱器件與機殼的傳導熱阻，加強內(nèi)部空氣對流，增加機殼表面 積等 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.4.3冷卻方式設(shè)計 多種冷卻方式的比較 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 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

12、的換熱能力較弱，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)，強化輻射散熱。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.4.5強迫風冷設(shè)計 當自然冷卻不能解決問題時，需要用強 迫空氣冷卻，即強迫風冷。強迫風冷是利用 風機進行鼓風或抽風，提高設(shè)備內(nèi)空氣流動 速度，達到散熱的目的。 強迫風的散熱形式主要是對流散熱，其 冷卻介質(zhì)是空氣。 整機強迫風冷系統(tǒng)有兩種形式：鼓風冷 卻和抽風冷卻。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 12.5電子產(chǎn)品熱設(shè)計實例：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

13、優(yōu)點，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)，導致大功率LED在散熱問題上面臨重大挑戰(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的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著LED燈株。在一個 支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。 半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地 位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來 的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導線作用于這個晶 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。 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 LED燈具 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計LED 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 高亮度LED熱設(shè)計 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 外部量子化效率圖 第12章電子產(chǎn)品熱設(shè)計 Luxeon系