第12章 電子產(chǎn)品熱設計

1、12.1電子產(chǎn)品熱設計概述 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)生熱應力與熱變形最終導致元件失效。溫度超過一定值時，元器件的失效率 電子設備的熱環(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。 熱設計的基本任務是通過熱設計在滿足性能要求的前提下盡可能減少設備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，并選擇合理的冷卻方式，保證設備在散熱方面的可靠性。 現(xiàn)在的熱設計主要針對的散熱目標有：CPU，NB（北橋）,SB（南橋）,TCP（薄膜封裝）,MOSFET,LED等等。12.2電子產(chǎn)品熱設計理論基礎(chǔ) 熱交換的三種模式：傳導、對流、輻射。 12.2.1熱設計中的術(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 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計變壓器熱設計處理1.電子元器件的熱設計 2.電子模塊的熱設計12.3 筆記本電腦散熱設計實例分析 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 12.3.3 筆記本散熱方式1.風扇散熱軸向型風扇輻射型風扇導熱銅管設計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計規(guī)范。抬高筆記本的散熱底座帶散熱風扇的散熱底座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。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支架，參考八爪魚仿生學設計，主體采用鋁合金結(jié)構(gòu)和高強度工程塑料材料，設計精巧，做工優(yōu)良，外觀造型

6、獨特，具有很高的實用性和便攜性。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。埃普八爪魚散熱底座的包裝細節(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

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。 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整機散熱設計 1.確定整機的消耗和分布 2

8、.根據(jù)整機結(jié)構(gòu)尺寸初步確定散熱設計方案 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.對散熱方案進行調(diào)整進而最后確定比較優(yōu)秀的整機散熱設計12.4.2機殼的熱設計 電子設備的機殼是接受設備內(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)。機殼的設計在采用自然散熱和一些密閉式的電子設備中顯得格外重要。機殼熱設計應注意下列問題：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

9、結(jié)構(gòu)5.通風口的位置應注意氣流短路而影響散熱效果，通風口的進出應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12.4.3冷卻方式設計多種冷卻方式的比較12.4.4自然冷卻設計 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)，強化輻射散熱。12.4.5強迫風冷設計 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。12.5電子產(chǎn)品熱設計實例：高亮度LED封裝散熱設計 LED光源具有高效節(jié)能和長壽命等優(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

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熱設計外部量子化效率圖Luxeon系列LED橫切面Luxeon系列LED的裸晶實行覆晶鑲嵌法MCPCB示意圖12.6筆記本電腦熱設計中存在的問題 通常情況下，筆記本為了實現(xiàn)機體的全面封閉，大多都是采用了無風扇設計。這樣帶來的一個直接后果就是限制了高頻CPU的使用。因為機體全面封閉以后，核心運算