大功率燈具熱學(xué)設(shè)計

散熱器概念及介紹Harry

2012/07/241.散熱目的隨著電子科技的發(fā)展及芯片制程的提升,電子組件的效能相對提高芯片越做越小,而單位體積所發(fā)出的熱量亦越來越多,為了維持其正常的工作狀態(tài),熱交換的動作也就相當(dāng)?shù)闹匾?加裝于熱源的上方的散熱片是為了幫忙體積電路消散動作時所產(chǎn)生的熱,以提高工作效率熱傳現(xiàn)象熱是一種自較暖物體流至較冷物體的稱為熱的看不到流體。溫度差為熱傳遞的驅(qū)動力,溫度差越大,熱傳率越高熱傳原理

熱量是如何由溫度高的地方傳到溫度低的地方?

有三種主要傳遞方式而任何熱交換均是由其中之一或者綜合型態(tài)呈現(xiàn)。傳導(dǎo)(Conduction)對流(Convection)輻射(Radiation)熱傳原理傳導(dǎo)(Conduction):

藉由鄰近分子或自由電子的熱運動程度之不同而傳遞熱的方式含較高之能量分子會透過碰撞轉(zhuǎn)動振動等方式將能量轉(zhuǎn)予較冷的分子

熱傳導(dǎo)公式可用Fourier定律來表示

熱通量與溫差變化成正比

Q=K?A?

(dT/dx)Q:傳遞熱量(W)K:ThermalConductivityW/m-KA:ContactArea(m2)dT/dx:是物體沿L方向的溫度梯度，即溫度變化率(K/m)

熱傳原理MaterialThermalconductivity(W/mK)*MaterialThermalconductivity(W/mK)*Diamond1000Brick,red0.6Silver406Waterat20°C0.6Copper385Brick,insulating0.15Gold314Wood0.12-0.04Aluminum205Asbestos0.08Brass109Corkboard0.04Iron79.5Fiberglass0.04Steel50.2Rockwool0.04Lead34.7Woolfelt0.04Mercury8.3Polystyrene(styrofoam)0.033Ice1.6Airat0°C0.024Concrete0.8Polyurethane0.02Glass,ordinary0.8Silicaaerogel0.003熱傳導(dǎo)K值越大表示傳熱能力越強熱傳原理對流(Convection):

藉由液體或氣體的移動來傳遞熱量的方式，牛頓冷卻定律(Newton’slawofcooling)通過物體表面之熱傳率為：

Q=h?A?(Ts-Tfl)Q:傳遞熱量(W)h:CoefficientW/(m2?K)A:ContactArea(m2)Ts:WallTemperature(K)Tfl:FlowTemperature(K)Q/A熱傳原理

對流常數(shù):一般與流體的型態(tài)速度有關(guān)對流型態(tài)描述H值范圍(W/m2K)自然對流因密度差異所導(dǎo)致10(gas)

100(liquid)強制對流由風(fēng)扇或者外在物體驅(qū)動100(gas)

1000(liquid)沸騰相變化液體變成氣體20,000冷凝相變化由氣體變成液體20,000熱傳原理輻射(Radiation):

不藉任何物體作媒介，將熱直接由熱源傳至他處的熱傳導(dǎo)方式

式中：q=熱傳導(dǎo)速率(單位：W)=輻射率或黑度(emissivity)=斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)(約為5.67×10-8W/m2·K4)A1=輻射面1的面積(單位：m2)T1=輻射面1的絕對溫度(單位：℃)T2=輻射面2的絕對溫度(單位：℃)q2兩表面間的凈輻射熱交換

表面溫度T2表面溫度T1q1HeatSinkDesignCriteria功率(Power)

系統(tǒng)接受的△T系統(tǒng)接受的噪音

-Fannoise可利用的：

-FanHousingVolume

-FinVolume風(fēng)扇的選擇熱管的選擇界面熱阻材料的選擇環(huán)境RemoteHeatExchanger(RHE)好RHE架構(gòu)可滿足高冷卻性能，在成本和制程上滿足最佳.Keystosuccess-minimizethermalresistanceθjunction-ambient

-maximizeairflowand?Toutlet-inletJunctionBlockHp1Hp2FinAmbientΘj-bΘb-hp1Θhp1-hp2Θhp1-finΘfin-amb※任何一段熱阻都是最大的冷卻能力表現(xiàn)(Thermalnetwork)評估方案性能數(shù)據(jù)試驗校驗理清散熱要求（即各發(fā)熱組件的規(guī)格）設(shè)計散熱方案分析方法估計所產(chǎn)生的熱量可接受的熱阻可接受的設(shè)計空間估計底部散熱估計散熱面積估計風(fēng)扇引起的流速檢查結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)方法等細化散熱方案校驗散熱系統(tǒng)制定散熱系統(tǒng)規(guī)格檢驗修改散熱方案OK散熱設(shè)計的流程模擬分析設(shè)計典型案例:平臺:Calpalla14'cpu35wvga:25w平臺:Calpalla14'cpu35w平臺:Cooler平臺:醫(yī)療器平臺:室外發(fā)射器平臺:AIO一體機平臺:上網(wǎng)本散熱應(yīng)用行業(yè)主動式散熱器零件介紹界面材料--TIM1-1-1TIM操作原理熱傳導(dǎo)系數(shù):銅(385W/m℃)>水(0.556W/m℃)>空氣(0.024W/m℃)1-1-2TIM類型和常用型號焊接材料a.錫膏焊接回流曲線圖:預(yù)熱預(yù)熱的最大傾斜被限制到2℃/sec,這樣有利于助焊劑的潤滑清潔作用;產(chǎn)品加熱:預(yù)先加熱設(shè)置從100℃通常被計算到與在70-120秒之間,典型的時間設(shè)置的熔點根據(jù)回焊爐內(nèi)的產(chǎn)品體積的大小回流:回流溫度設(shè)定比熔點高出30℃進行焊接熔點時間最為重要,直接影響到焊劑與周邊焊接的面積,回流時間控制在20-40S;冷卻冷卻的最大傾斜被限制到4℃/sec。導(dǎo)熱膠Dow-Corning:4450Typicalproperties粘合條件:30minutes@150℃導(dǎo)熱系數(shù):1.97W/(mK)Shearstrengthafter30m@150℃:3.65Kgf/mm2樂泰Loctite:3873Typicalproperties粘合條件:Ambient,大于20℃導(dǎo)熱系數(shù):1.25W/(mK)Shearstrengthafter24H@22℃:1.2Kgf/mm2銅塊--ThermalBlock1-2-1材料:C1100,A10501-2-2制程:沖壓1-2-3材料厚度:0.8,1.0,1.5,2.0,2.5mm1-2-4Outlinedimensionrecommendfor35Wisabove20*20mm配件，貼件：材料有：MYLAR;GASKET

功能：絕緣材料、EMI材料熱管介紹：當(dāng)液體在真空中通過加熱,變成水蒸氣，熱被帶來從蒸發(fā)部分到冷凝器部分。通過冷卻器進行冷卻,然后通過周邊毛細結(jié)構(gòu)力量將帶回工作流體并且循環(huán)工作35熱管加工過程

切斷

縮頭

縮尾

清洗

焊尾Next36熱管加工過程

組裝

注水裁切及清洗

一次除氣

二次除氣

折彎

壓扁

焊頭

整形

整形

整圓還原熱管的適用性對比表熱管傳導(dǎo)的能力(1)QmaxofRoundandStraightHeatPipe(Ref.)ThicknessofHeatPipefor35Winputisrecommendedfor3.5mm.工質(zhì)的種類和特點WorkfluidRelativefigureofmerit(80℃)Usefulrange(℃)Wick/VesselmaterialLife(hrs)Ammonia0.45-60~100AL304SS

36000Freon11386-10~100CUAL3044SS25000Acetone(丙酮)3000~120CUAL304SS500008000Methanol(甲醇)45010~120CUAL304SS

>500002000Ethanol(乙醇)3400~120CU304SS24000Water400030~250CU>75000品質(zhì)因子Nl=σρlhfg/μl(W/m2)是表面張力，液體密度，汽化潛熱和液體粘度的函數(shù)，綜合反應(yīng)了工質(zhì)物性對軸向傳熱的影響。風(fēng)扇介紹軸流扇各種外形風(fēng)扇離心扇各種外形風(fēng)扇流道的設(shè)計必須遵守”流道漸擴”原則:

wherer0:fandiameter α0:flowangleatbladetip

通常以客戶給定的空間,決定α0的值流道的設(shè)計r

C

Boundarystreamline

θ

γ

0

θ

γ

α

C

2

C

W

d

P-Qcurve風(fēng)扇性能指標(biāo)離心扇的P-Q軸流扇的P-Q常有這一段失速區(qū)風(fēng)扇的性能與公式運用風(fēng)扇入風(fēng)口影響性能影響風(fēng)扇性能的要素NB風(fēng)扇介紹49.6dBA(35)47.0dBA(40)44.5dBA(40)43.8dBA(45)舌口(tongue)影響噪音和流量影響風(fēng)扇性能的要素純角銳角流道過窄利用舌口強制分配雙出口流量無舌口設(shè)計自然分配流量吸風(fēng)距離影響風(fēng)扇性能的要素WindtunnelLowerplaneplate75x75x16blowersurface,A3mmupperplane

platedistance,NQmax:未加上下檔板時的風(fēng)量Pmax:未加上下檔板時的風(fēng)壓流場分布影響散熱性能—越前傾的風(fēng)扇，流場分布越不均影響風(fēng)扇性能的要素后掠(Backswept)風(fēng)扇這個地方風(fēng)量小，最好放在熱管的無效端處前傾(forward)風(fēng)扇Fin介紹:1.一般類型鋁擠介紹:Material:A6063,A5052Process:Al-AlloyExtrusion使用到MCHorVGAorLED一些低功率設(shè)備上;鋁擠產(chǎn)品設(shè)計參數(shù):鋁擠產(chǎn)品外觀標(biāo)準(zhǔn):

產(chǎn)品外觀檢驗標(biāo)準(zhǔn)缺點種類判定標(biāo)準(zhǔn)側(cè)面1.刮傷：長度不限、寬1.0㎜以內(nèi)，幾處不限，判定OK。2.撞傷：長10.0㎜X寬3.0㎜面積以內(nèi)3處(單面，含稜線處)，判定OK。3.摩擦傷：長20㎜X寬20㎜面積以內(nèi)2處，判定OK。4.手觸感(刮手)之刮傷、撞傷，判定NG；但刮除毛邊后(不刮手)，判定OK；有陽極處理者，不可修正，判定NG。切斷面刮傷、撞傷：不刮手，不限長度、寬度，幾處不限，判定OK。壓鑄件:材料:ADC6,ADC10,ADC12ADC6硬度比較低相對于ADC10andADC121.如果SINK需要鉚合對象,推薦使用ADC62.SINK厚度盡量設(shè)計到0.80以上至1.5MM3.HP槽與BLOCK面接觸地方需要設(shè)計干涉:0.05-0.10MM;以利HP與BLOCK完全焊接;鉚合件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計:RivetedType凸包折邊鉚釘銅柱壓鑄RivetDiameterDDDDDToleranceofdiameter±0.05±0.05±0.05±0.05±0.05RivetHeightrequiredT’+0.5T’+0.5T’+0.5T’+0.5T’+0.5MaxHeightD/2TN/AN/ADToleranceofheight±0.1±0.1±0.1±0.1±0.1ToleranceofRivetsdistance±0.05±0.05

±0.1HoleDiameterrequiredD+0.1D+0.1D+0.1D+0.1D+0.1ToleranceofDiameter+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0+0.1/-0ToleranceofHolesdistance±0.05±0.05±0.05±0.05±0.05Note:鉚合件零件需要做C角,C≧0.3mm

表格供在設(shè)計階段的參考

一般CPU壓力定義80psi+/-20psi，因此設(shè)計直須介於此數(shù)值內(nèi)，但會因不同的晶片大小而有不同壓力值產(chǎn)生.換算方式：模組壓力設(shè)計:CPUToleranceAnalysisResultCPUSpec=60~100psi最理想的pressurecenter為X=0andY=0，在理想狀態(tài)下才有可能達到.一般實際應(yīng)用X、Y值只需落在CPUchip的位置中即可.Forexample:cpudiesize=8.68X12.4因此X=-4.34~4.34andY=-6.2~6.2在此數(shù)值之間的X、Y值皆可接受.CPUToleranceAnalysisResult參數(shù)F,X1,X2,X3,X4,Y1,Y2,Y3,Y4,Z1,Z2,Z3andZ4