散熱設(shè)計(jì)技術(shù)講座(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上在上一章里，確定了用于平衡整個(gè)裝置能量收支的風(fēng)扇種類。本文將以此為前提來設(shè)計(jì)散熱片。從求出熱傳導(dǎo)率及散熱量的公式來考慮即可得知，散熱片（Heat Sink）的大概性能可通過簡(jiǎn)單的手工計(jì)算來求得。下面將結(jié)合首款PS3的實(shí)例，證實(shí)手工計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際裝置上采用的散熱片的驚人一致之處。 在一文中曾提到整個(gè)裝置中的熱能收支是相互吻合的。下面，開始介紹散熱片的設(shè)計(jì)。 想讓滾燙的拉面涼下來時(shí)，大家會(huì)怎么做？一般會(huì)呼呼地吹氣，對(duì)吧？這是利用了中介紹的“熱傳導(dǎo)”原理的冷卻方法。這個(gè)時(shí)候，怎樣做才能讓拉面有效地冷卻下來呢？ 熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量公式如下： 通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的散熱量W熱傳

2、導(dǎo)率W/（m2·）×散熱面積m2×與周圍的溫度差 由于溫度差，也即拉面溫度與吹出的氣息溫度之差是確定的，無法改變。然而，如果增加散熱面積，就能增加散熱量。如果將用筷子夾起的面條攤開，借此加大散熱面積，并讓所有面條都均勻地接觸到空氣，便可有效地使面條冷卻下來。 散熱片（Heat Sink。字面意思是“熱量分流槽”）利用了與此完全相同的思路。使發(fā)熱源的熱量擴(kuò)散到面積較大的翼片（葉片）上，然后通過熱傳導(dǎo)將熱量轉(zhuǎn)移給空氣，這就是散熱片的功能。 讓我們來復(fù)習(xí)一下計(jì)算散熱量時(shí)一定會(huì)用到的熱傳導(dǎo)率。熱傳導(dǎo)率會(huì)隨著散熱面的放置方式而發(fā)生變化。強(qiáng)制性地使空氣沿著與散熱板平行的方向流

3、過時(shí)，熱傳導(dǎo)率的計(jì)算式如下。 也就是說，與散熱量相關(guān)的變量有以下4個(gè)。 散熱面積：越大越有利于散熱。如果散熱面積增加1倍，則散熱量也增加1倍。我想大家經(jīng)常會(huì)看到由多枚很薄的翼片重疊而成的散熱片，其目的就是為了在狹小的空間獲得較大的散熱面積。 溫度差：溫度差越大，則散熱能力越高。如果溫度差增加1倍，則散熱量也增加1倍。散熱片之所以采用鋁及銅材料，就是為了在盡量不降低溫度的情況下，把發(fā)熱源的熱量傳導(dǎo)到翼片上。 流速：流速提高，則熱傳導(dǎo)率也提高。不過，即使流速增加1倍，熱傳導(dǎo)率只增加0.4倍，也就是說，散熱量只會(huì)增加0.4倍。 氣流方向的長(zhǎng)度：該長(zhǎng)度越短，則熱傳導(dǎo)率越高。這是因?yàn)?，在氣流方向的下游?/p>

4、氣溫度會(huì)上升，而冷卻能力則會(huì)下降。在相同面積的翼片上，如果在氣流方向上以長(zhǎng)度較短、而橫向較寬的方式配置散熱片，則散熱量增大。 下面，讓我們來計(jì)算一下散熱片的散熱能力。如右圖所示，在80的散熱板上，讓40的空氣平行流過的強(qiáng)制空冷散熱片時(shí)的實(shí)例。 從散熱面散發(fā)出的熱量達(dá)到了2.44W。因?yàn)槊棵兑砥加姓磧擅妫?，?yīng)該有2倍的4.88W熱量從翼片散發(fā)出來。 讓我們將這種翼片放到作為發(fā)熱源的芯片上試試看。假定芯片的表面溫度為80。 在此，我們暫且忽略從芯片表面到翼片根部的熱接觸阻抗等，假設(shè)翼片根部的溫度也是80。 前面是在假設(shè)翼片溫度均勻分布的情況下進(jìn)行的計(jì)算，但實(shí)際上不可能整個(gè)翼片都是相同的溫度

5、。也許接近芯片的部分是80，但翼片上方的溫度會(huì)略微下降。因此，散熱量會(huì)小于上述的4.88W。例如，會(huì)減小到70或者85。 隨著翼片內(nèi)部溫度分布的不同，散熱量會(huì)降低到翼片整體為均一溫度時(shí)的百分之幾，我們將這個(gè)百分?jǐn)?shù)稱為“翼片效率”。翼片效率可通過翼片的熱傳導(dǎo)率及尺寸進(jìn)行計(jì)算。 在剛才的例子中，假設(shè)翼片的熱傳導(dǎo)率為170W/（m·）、厚度為1mm，我們將其帶入到公式中算一下。得出翼片效率為81。就是說，每枚這種翼片的散熱量為3.97W。假如想散發(fā)100W的熱量，那么就需要26枚翼片。 大家可以利用表計(jì)算軟件等，試著改換多種變量來計(jì)算一下。這樣就能切實(shí)感受到采用什么樣的翼片時(shí)會(huì)散發(fā)多少熱量

6、。 下面，讓我們用以上介紹的計(jì)算方法來設(shè)計(jì)第一代“Play-Station 3”（PS3）的散熱片。 不過，在此之前必須有設(shè)計(jì)思想。 設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，解不會(huì)是只有一個(gè)?；谑裁礃拥南敕?、設(shè)計(jì)成什么形狀，這些都必需在設(shè)計(jì)之初確定下來。否則的話，要么會(huì)中途迷失方向，誤入歧途，從而求不出答案；要么最終得到一個(gè)修修補(bǔ)補(bǔ)、東拼西湊出來的設(shè)計(jì)。 筆者在確定設(shè)計(jì)思想時(shí)，只想一個(gè)問題：“什么樣的設(shè)計(jì)才是最理想的？”。我覺得，重要的是拋棄根據(jù)晦澀難懂的專業(yè)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)得出的成見，單刀直入地考慮問題。 首先，我們來考慮“理想的散熱片”。理想的散熱片究竟應(yīng)該是什么形狀的？ 為了提高熱傳導(dǎo)率，在氣流方向上長(zhǎng)度要短，在氣

7、流的橫向上要寬，這是最理想的。這樣才能使熱量擴(kuò)散到產(chǎn)生氣流的整個(gè)區(qū)域。這與上一章介紹的“消除那些不做功而白白流過的空氣”這一目的相吻合。 在上一章，我們決定在首款PS3上采用離心式風(fēng)扇。讓我們按照這一理想，思考一下離心式風(fēng)扇中的理想散熱片形狀。 離心式風(fēng)扇呈放射狀地向所有方向進(jìn)行排氣。如果在這一氣流發(fā)生的整個(gè)區(qū)域薄薄地配置上散熱片的話。那就會(huì)形成像面包圈一樣的形狀。 “對(duì)離心式風(fēng)扇而言的理想散熱片形狀，是面包圈形”。筆者將此作為基本的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出了PS3的散熱片。 接下來，讓我們來確定散熱片設(shè)計(jì)的前提條件吧。 首先是流速。根據(jù)裝置整體熱收支的計(jì)算，風(fēng)扇的性能指標(biāo)被確定下來。根據(jù)該數(shù)值可以計(jì)

8、算出空氣剛從風(fēng)扇吹出時(shí)的流速為1.4m/s。 然后是散熱片的尺寸。假定“面包圈”的厚度與風(fēng)扇相同，內(nèi)徑也與風(fēng)扇相同。氣流方向的長(zhǎng)度暫且假設(shè)為30mm。這樣，面包圈的外徑便是200mm。材質(zhì)為純鋁，翼片的板厚暫且假設(shè)為0.5mm。 與溫度相關(guān)的條件也必不可少。假定芯片表面的容許溫度為80時(shí)，翼片的根部溫度會(huì)低幾度，因此，我們預(yù)先假設(shè)為75。另外，流入散熱片的空氣溫度方面，我們?cè)O(shè)定得比40的環(huán)境溫度高一些。這是因?yàn)?，空氣從吸氣口進(jìn)來之后，先對(duì)產(chǎn)品內(nèi)的各部位進(jìn)行冷卻，然后才會(huì)到達(dá)散熱片。因此，暫且定為50。 最后是熱處理能力。PS3的散熱片負(fù)責(zé)冷卻“Cell”及“RSX”這兩個(gè)LSI。在此，我們將其

9、合在一起作為1個(gè)芯片進(jìn)行計(jì)算。雖然Cell及RSX的耗電量沒有公布，但作為散熱片，我將其熱處理能力定為合計(jì)200W。 利用以上條件，就可以通過前面列舉的計(jì)算式來計(jì)算“需要幾枚翼片”。 因?yàn)橐砥某叽鐬?0mm×30mm，所以，熱傳導(dǎo)率為26.4W/（m·），平均每枚翼片的散熱量為1.19W（翼片各處的溫度一律為75時(shí)）。 翼片效率為88，因此，實(shí)際的散熱量為平均每枚1.04W。也就是說，要想散發(fā)200W的熱量，則需要193枚翼片。 如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的間距約為2.8mm。因?yàn)閷?shí)際裝置中還要配置其他部件，所以肯定不能向整個(gè)圓周方向進(jìn)行排氣。如果假定向整

10、個(gè)圓周的70進(jìn)行排氣，則翼片的間距約為2mm。 綜上所述，首先通過簡(jiǎn)單的手工計(jì)算進(jìn)行粗略的設(shè)計(jì)。然后，再結(jié)合商品的性能對(duì)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，或者通過實(shí)驗(yàn)來更新“暫定”的數(shù)值，從而逐步推敲出一份最佳設(shè)計(jì)。如果利用表計(jì)算軟件等，上述計(jì)算將會(huì)十分輕松。 下面，筆者給大家介紹一下針對(duì)首款PS3實(shí)際開發(fā)的散熱片的詳情。 首先，是散熱片的基礎(chǔ)部分。在剛才的計(jì)算中，我們將整齊排列的所有翼片的根部溫度假定為75。假設(shè)身為熱源的芯片的表面溫度為80，那么就必須以溫度下降5以內(nèi)的方式、將熱量從芯片輸送到“面包圈”的整個(gè)基礎(chǔ)部分。為此，PS3采用了導(dǎo)熱管（Heat Pipe）。 所謂的導(dǎo)熱管，是一種可傳輸熱量的銅制導(dǎo)管。

11、兩端通過焊接進(jìn)行了密封，內(nèi)部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都聽過這樣一個(gè)說法，如果在富士山的頂上燒開水，不到90就會(huì)沸騰。而導(dǎo)熱管內(nèi)部的水，由于在接近真空的環(huán)境下，所以在人體溫的溫度下就會(huì)沸騰。熱源的熱量借助因沸騰而比平時(shí)高出數(shù)倍的熱傳導(dǎo)率轉(zhuǎn)移給了水蒸汽，這些水蒸汽在導(dǎo)管中溫度較低的部分散熱，變回液體的水。通過重復(fù)這一過程，導(dǎo)熱管變得整體幾乎沒有了溫度差。就是說，成了一個(gè)“熱傳導(dǎo)率接近于無限大的棒狀物體”。很神奇吧。 另外，在與芯片的接觸面上，沒有采用直到“PlayStation 2”一直沿用的導(dǎo)熱膜，而是采用了導(dǎo)熱油。這樣一來，接觸面的溫度降幅會(huì)相差幾度。雖然成本會(huì)增高，但越是靠近熱

12、源、熱量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接觸面上涂覆了導(dǎo)熱油。 針對(duì)翼片的配置也下了工夫。 在此次的設(shè)計(jì)思想中，風(fēng)扇葉片的前端會(huì)以高速通過散熱片的翼片近旁。如果將翼片1枚1枚地豎立著排列，也就是相對(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向垂直排列的話，葉片通過翼片的旁邊會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生“啪嗒啪嗒”的風(fēng)阻噪聲。 為了防止這種噪聲，我們使翼片相對(duì)于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向呈水平狀地進(jìn)行了橫向排列。 這樣完成的首款PS3的冷卻單元，其形狀如下方左圖所示。 如各位看到的那樣，用于將熱量轉(zhuǎn)移給空氣的冷卻翼片，環(huán)繞著風(fēng)扇周圍進(jìn)行配置。這與設(shè)計(jì)思想相吻合。如果風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，空氣便會(huì)如下方右圖箭頭所示的那樣流動(dòng)。 用于從芯片底板向翼片轉(zhuǎn)移熱量的立柱，

13、沒有采用圓柱，而是采用了扁平截面形狀的柱材。這是為了使空氣順暢地流動(dòng)。該立柱沿氣流方向設(shè)置了角度后進(jìn)行配置。在對(duì)于這種細(xì)節(jié)的研究中，充分利用了仿真技術(shù)。 包括冷卻翼片在內(nèi)的散熱片，實(shí)際上分為Cell用及RSX用的兩種。這是為了消除Cell及RSX封裝高度的誤差。散熱片可根據(jù)封裝高度進(jìn)行移動(dòng)，以避免對(duì)底板及LSI施加壓力。 受熱塊從Cell及RSX這兩個(gè)芯片接收到的熱量，通過合計(jì)5根導(dǎo)熱管以及1mm厚的鋁制芯片底板，沿水平方向擴(kuò)散。通入了3根導(dǎo)熱管的受熱塊為Cell用，通入了2根的為RSX用。 然后，沿水平方向擴(kuò)散的熱量轉(zhuǎn)移到垂直豎立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的鋁制翼片上。經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)及檢驗(yàn)，翼片的間距最終定為2.0mm。 受熱塊、芯片底板、導(dǎo)熱管及立柱在涂了焊錫膏并進(jìn)行組裝之后，要在回流爐中加熱，予以固定。 覆蓋并附著在導(dǎo)熱管前端的板金部件，是防止凍結(jié)時(shí)變形的加強(qiáng)板。在包裝狀態(tài)下進(jìn)行保管時(shí)等、氣溫達(dá)到0以下時(shí)導(dǎo)熱管內(nèi)部的傳動(dòng)液會(huì)凍結(jié)，導(dǎo)管產(chǎn)生膨脹。板金部件就是用于防止這一現(xiàn)象的。板金部件安裝在包裝狀態(tài)下朝向下方的一側(cè)，也就是積水的一側(cè)。 首款PS3的散熱片設(shè)計(jì)大家覺得怎么樣？實(shí)際開發(fā)的散熱片的整體尺寸、冷卻翼片的配置及間距等，與此前介紹的手工計(jì)算