熱設(shè)計規(guī)范-散熱設(shè)計-Thermal

密級：企密AA QR-STA-017版本：A1研祥智能科技股份有限公司設(shè)計規(guī)范SJ-TM-SR-001A00熱設(shè)計規(guī)范（共36頁） 起草：審核：批準(zhǔn)：研祥智能科技股份有限公司研發(fā)中心發(fā)布目次前言 熱設(shè)計規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于EVOC所有產(chǎn)品的熱設(shè)計。2規(guī)范性引用文件GJB/Z27電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊QJ1474電子設(shè)備熱設(shè)計規(guī)范GB2423.2電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境實驗規(guī)程GB4943.1信息技術(shù)設(shè)備安全GJB/Z35元器件降額準(zhǔn)則ISBN7-04-018918-9傳熱學(xué)第四版3定義和基本術(shù)語熱特性：設(shè)備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。熱傳導(dǎo)：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。熱傳導(dǎo)系數(shù)：表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)指標(biāo)，它表明單位時間、單位面積、負(fù)溫度梯度下的導(dǎo)熱量。單位：W/(m?℃)。對流換熱：由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程，或是指流體流經(jīng)固體壁面時的一種能量交換現(xiàn)象。自然對流：由流體冷熱各部分的密度不同所引起的對流。強迫對流：流體的運動由外力（泵、風(fēng)機等）引起的對流。對流換熱系數(shù)：反映兩種介質(zhì)對流換熱過程的強弱，表明當(dāng)流體與壁面的溫差為1℃時，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量。單位：W/(m2?℃)。熱輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式成為輻射，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。不同物體的熱輻射能力與其表面的溫度、粗糙程度、氧化程度、表面涂料等表面狀態(tài)有關(guān)。黑度：表明物體的輻射力接近絕對黑體輻射力的程度。熱阻：熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反應(yīng)介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的大小,表明1W熱量所引起的溫升大小。熱量傳遞過程中，溫度差是過程的動力，好像電學(xué)中電壓，換熱量是被傳遞的量，好像電學(xué)中的電流，用電阻的概念來理解導(dǎo)熱過程的阻力，稱為熱阻。即R=△t/Q，單位：℃/W。接觸熱阻：兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。功耗：功率的損耗，指設(shè)備、器件等輸入功率和輸出功率的差額。電路中通常指元器件耗散的熱能功率，單位：W。熱設(shè)計功耗：TDP：ThermalDesignPower，是反應(yīng)一顆處理器熱量釋放的指標(biāo)，它的含義是當(dāng)處理器達到最大負(fù)荷時釋放的熱量，單位：W。熱流密度：單位面積的熱流量，單位：W/m2。流阻：流體流動的阻力，由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這種阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。沿程阻力：在邊界沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩擦阻力。局部阻力：在邊界急劇變化的區(qū)域，如斷面突然擴大或突然縮小，或彎頭等局部位置，流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動阻力。層流與湍流（紊流）：層流指流體呈有規(guī)則的，有序的流動，換熱系數(shù)小，流阻??；湍流指流體呈無規(guī)則，相互混雜的流動，換熱系數(shù)大，流阻大。雷諾數(shù)(Re)：雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的大小之比，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準(zhǔn)則。普朗特數(shù)(Pr)：普朗特數(shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準(zhǔn)則。格拉曉夫數(shù)(Gr)：反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小，是說明自然對流換熱強度的一個相似準(zhǔn)則，Gr越大，表面流體所受浮升力越大，流體的自然對流越強。努謝爾特數(shù)(Nu)：反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是說明對流換熱強弱的一個相似準(zhǔn)則。熱點：元器件、散熱器和冷板的各個局部表面溫度最高的位置。熱點器件指單板上溫度最高和較高的器件。通風(fēng)機工作點：系統(tǒng)(風(fēng)道)的特性曲線與風(fēng)機的靜壓曲線的交點就是風(fēng)機的工作點。溫度穩(wěn)定：當(dāng)設(shè)備處于工作狀態(tài)時，設(shè)備中發(fā)熱元器件的表面溫度每小時變化波動范圍在±1℃內(nèi)定性溫度：確定對流換熱過程中流體物理性質(zhì)參數(shù)的溫度。外部環(huán)境溫度：自然冷卻時指距離產(chǎn)品各主要表面80mm處的溫度平均值；強迫風(fēng)冷（使用風(fēng)扇）時指距離空氣入口80-200mm截面的溫度平均值。機柜/箱表面溫度：設(shè)備達到穩(wěn)定溫度時各主要外表面幾何中心點上溫度的平均值。溫升：用△T表示，是元器件表面溫度與設(shè)備外部環(huán)境溫度的差值。溫度與溫升的區(qū)別：溫度是量化介質(zhì)熱性能的一個指標(biāo)，是一個絕對概念；溫升是指介質(zhì)自身或介質(zhì)間的溫度變化范圍，它總是相對于不同時刻或同一時刻的另一介質(zhì)而言的，是一個相對概念。測溫點：Tj：芯片發(fā)熱結(jié)點的溫度；Tc：芯片封裝外殼表面的溫度；Ts：散熱器與發(fā)熱元件相接觸的底面溫度；Ta：測試產(chǎn)品放置周圍的環(huán)境溫度；4產(chǎn)品熱設(shè)計的基本原則1）進行產(chǎn)品的熱設(shè)計應(yīng)與硬件設(shè)計、PCB布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行，平衡熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、PCB布局的各種需求；2）熱設(shè)計應(yīng)遵循相應(yīng)的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公司標(biāo)準(zhǔn)；3）熱設(shè)計應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，以保證產(chǎn)品內(nèi)部的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中正常工作，并保證達到設(shè)定的MTBF指標(biāo)；4）產(chǎn)品元器件的選型、安裝位置與方式必須符合散熱需求；5）模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護回路，以提高產(chǎn)品的可靠性；6）在進行熱設(shè)計時，應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計冗余，以避免在使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動阻力的增加；7）熱設(shè)計應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標(biāo)，在保證散熱需求的前提下使其結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、重量輕、成本低；8）散熱物料的選型應(yīng)優(yōu)先選用公司相應(yīng)優(yōu)先庫中已有的物料，杜絕重復(fù)設(shè)計。5產(chǎn)品的熱設(shè)計流程完整的熱設(shè)計過程包括系統(tǒng)散熱方案的確定、詳細(xì)分析設(shè)計、樣機測試等過程，是一個反復(fù)修正，多次驗證的閉環(huán)過程。如下面圖1所示：開始開始了解產(chǎn)品的工作環(huán)境，包括室內(nèi)或室外、工作溫度、噪聲要求等；確定產(chǎn)品外形尺寸、配置、總功耗、熱敏器件和集中發(fā)熱器件等。選擇合適的冷卻方式（根據(jù)熱流密度、體積功率密度、集中發(fā)熱器件情況，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式等）選擇熱設(shè)計方法熱仿真1.建立仿真模型2.賦予屬性和加載3.設(shè)置邊界條件和求解域控制參數(shù)4.劃分網(wǎng)格5.求解6.顯示結(jié)果熱計算在產(chǎn)品較簡單，或產(chǎn)品內(nèi)部熱量分布較均勻的情況下，可直接進行熱計算熱測試或熱模擬測試1.在設(shè)計改進時可直接進行熱測試；2.在重要的設(shè)計中可用現(xiàn)有的相似產(chǎn)品或制作相似產(chǎn)品來進行模擬測試。熱設(shè)計結(jié)果自然對流：1.進出風(fēng)開孔的位置，大小，開孔率；2.散熱器的選型或優(yōu)化結(jié)果；強迫對流：1.選擇的風(fēng)扇型號，數(shù)量，安裝位置；2.進出風(fēng)開孔的位置，大小，開孔率；3.散熱器的選型或優(yōu)化結(jié)果；4.其他：風(fēng)道設(shè)計，布局等。樣機制作與測試結(jié)束是否滿足要求？否是圖1熱設(shè)計流程框圖在產(chǎn)品研發(fā)的各個不同階段，熱設(shè)計工作如下：5.1項目啟動階段確認(rèn)產(chǎn)品的使用環(huán)境和安裝情況、用戶對產(chǎn)品噪聲的要求、用戶對散熱方式的要求及本公司、其它公司同類產(chǎn)品的散熱設(shè)計與效果等。確定產(chǎn)品的外形尺寸、配置情況、總功耗及各部分的功耗、功耗較大的重點單板（器件）位置。確認(rèn)主要發(fā)熱芯片、元器件的功耗和規(guī)格溫度。根據(jù)熱流密度、體積功率密度設(shè)備結(jié)構(gòu)形式等評估散熱的可行性。5.2方案設(shè)計階段通過較詳細(xì)的熱計算或熱仿真，提出熱設(shè)計方案，包括確定系統(tǒng)的冷卻方式（自然冷卻、強迫風(fēng)冷或其它）；確定風(fēng)道、選擇風(fēng)機的型號、數(shù)量及布置；對防塵網(wǎng)、導(dǎo)風(fēng)板、隔熱板、通風(fēng)網(wǎng)板的設(shè)計提出要求；對元器件的選型提出要求；對PCB布局和系統(tǒng)中單板及元器件的布局提出要求等。必要時，還需要對重點元器件和重點區(qū)域進行熱模擬實驗。通過項目組方案評審并輸出《整機散熱方案設(shè)計書》或《板卡散熱方案設(shè)計書》。5.3樣機設(shè)計階段在樣機設(shè)計階段進行詳細(xì)分析設(shè)計，硬件工程師要滿足熱設(shè)計方案中對單板和元器件布局提出的要求，且要提供重點元器件（芯片）的資料以及相應(yīng)的功耗信息；熱設(shè)計工程師要具體體現(xiàn)熱設(shè)計方案的要求，此外，還要根據(jù)具體的元器件（芯片）情況，做散熱器選型和優(yōu)化，風(fēng)扇選型和安裝位置，通風(fēng)孔的位置和開孔率等工作。5.4樣機制作、調(diào)試和測試階段對前面的熱設(shè)計方案結(jié)合樣機實物進行驗證，檢驗和總結(jié)等工作，并根據(jù)測試結(jié)果，提交熱測試報告，對熱設(shè)計做出進一步改進和驗證。5.5試產(chǎn)階段將最終改進好的熱設(shè)計方案導(dǎo)入產(chǎn)品試產(chǎn)，使其工程化，受控相應(yīng)的設(shè)計資料，分析和總結(jié)熱設(shè)計過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，并最終完成產(chǎn)品的熱設(shè)計工作。6單板產(chǎn)品的熱設(shè)計6.1PCB熱特性PCB是由FR4和銅箔組成的分層復(fù)合結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R4導(dǎo)熱系數(shù)0.3W/(m?K)，銅導(dǎo)熱系數(shù)380W/(m?K)。由于Cu與基材導(dǎo)熱性能的差異，多層PCB基板導(dǎo)熱特性為各向異性，整體的導(dǎo)熱系數(shù)是各向異性的，相似的材料如石墨、木材。在PCB平面XY方向?qū)嵯禂?shù)高，一般范圍在10～45W/(m?K)，在PCB法線Z方向?qū)嵯禂?shù)很低，約0.3W/(m?K)。如下面圖2所示。圖2PCB分層復(fù)合結(jié)構(gòu)6.2PCB散熱不考慮外部條件，PCB只能通過提高自身內(nèi)部導(dǎo)熱率來改善PCB散熱，使PCB盡量溫度均勻。針對PCB的熱特性，PCB優(yōu)化散熱的思路為：把器件的熱量傳遞到PCB內(nèi)部，減少器件向PCB的傳熱熱阻，可采取的強化散熱措施是：1)在單板上打散熱過孔，改善層與層之間的熱連接以及增加法線Z方向上的導(dǎo)熱能力,降低器件與PCB之間的傳熱熱阻。單考慮散熱過孔是沒有意義的，因為熱量必須從四周匯集到過孔的位置，因此必須考慮散熱過孔區(qū)域整體的傳熱情況。2)在單板表面鋪銅皮。如下面圖3所示。圖3PCB鋪銅皮和打散熱過孔示意圖把PCB一點積聚的熱量（從器件傳入的）擴散到整體PCB的表面，再通過對流和輻射傳遞到外界環(huán)境中，可采取的板級強化散熱措施是：增加銅箔密度，降低熱量在單板平面XY方向傳遞的擴展熱阻。6.3器件布局原則（1）基本原則1）發(fā)熱器件應(yīng)盡可能分散布置，使得單板表面熱耗均勻，有利于散熱。2）不要使熱敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置，使得熱敏感器件遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱器件，常見的熱敏感的器件包括晶振、內(nèi)存、CPU等。3）要把熱敏感元器件安排在最冷區(qū)域。對自然對流冷卻產(chǎn)品，如果外殼密封，要把熱敏感器件置于底部，其它元器件置于上部；如果外殼不密封，要把熱敏感器件置于冷空氣的入口處。對強迫對流冷卻設(shè)備，可以把熱敏感元器件置于氣流入口處。如下面圖4所示。圖4PCB上器件布局優(yōu)化對比示意圖（2）強迫風(fēng)冷的器件布局原則1)參考板內(nèi)流速分布特點進行器件布局設(shè)計，在特定風(fēng)道內(nèi)面積較大的單板表面流速不可避免存在不均勻問題，流速大的區(qū)域有利于散熱，充分考慮這一因素進行布局設(shè)計將會使單板獲得較優(yōu)良的散熱設(shè)計。2）對于通過PWB散熱的器件，由于依靠的是PWB的整體面積來散熱，因此即使器件處于局部風(fēng)速低的區(qū)域內(nèi)，也并不一定會有散熱問題，在進行充分熱分析驗證的基礎(chǔ)上，沒有必要片面要求單板表面風(fēng)速均勻。3)當(dāng)沿著氣流來流方向布置的一系列器件都需要加散熱器時，器件盡量沿著氣流方向錯列布置，可以降低上下游器件相互間的影響。如無法交錯排列，也需要避免將高大的元器件（結(jié)構(gòu)件等）放在高發(fā)熱元器件的上方。如下面圖5和圖6所示。圖5優(yōu)化前布局圖6優(yōu)化后布局4）對于安裝散熱器的器件，空氣流經(jīng)該器件時會產(chǎn)生繞流，對該器件兩側(cè)的器件會起到換熱系數(shù)強化作用；對該器件下游的器件，換熱系數(shù)可能會加強，也可能會減弱，因此對于被散熱器遮擋的器件需要給出特別關(guān)注。5）注意單板風(fēng)阻均勻化的問題，單板上器件盡量分散均勻布置，避免沿風(fēng)道方向留有較大的空域，從而影響單板元器件的整體散熱效果。如下面圖7所示。不良布局改進后布局圖7單板風(fēng)阻均勻化示意圖7整機產(chǎn)品的熱設(shè)計7.1冷卻方式的選擇在所有的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。選擇冷卻方法時，主要考慮下列因素：產(chǎn)品的熱流密度、體積功率密度及溫升等。一般地說，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2，體積功率密度超過0.18W/cm3，須采用強迫風(fēng)冷方式。當(dāng)然，應(yīng)用上述這個判據(jù)是有前提的：一是上述方法是假設(shè)熱量均勻分布在整個產(chǎn)品的體積中；二是產(chǎn)品內(nèi)的熱量能充分地傳到產(chǎn)品表面。溫升為40℃時，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值如下面圖8和圖9所示。圖8熱流密度圖9體積功率密度冷卻方法可以根據(jù)熱流密度與溫升要求，按下面圖10選擇，這種方法適用于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻。圖10不同冷卻方式的溫升對比7.2自然冷卻計算自然冷卻機箱（柜）的散熱主要是通過表面輻射散熱和空氣自然對流換熱兩種形式。一般地說，機柜（機箱）的外表面可看作自然對流的擴展表面，如果熱源與機柜（機箱）有導(dǎo)熱連接，可能導(dǎo)致表面溫度升高，對操作人員造成不舒適的工作環(huán)境，因此，涉及到人機結(jié)合操作界面的機柜（機箱）其表面溫度不得高出周圍環(huán)境15℃。7.2.1機箱（柜）表面輻射散熱輻射散熱的大小與表面溫度、形狀、表面粗糙度、材料、涂層和顏色等因素有關(guān)，即：Q1=εAσ(T14-T24)其中，Q1輻射散熱量，Wε散熱表面的黑度A散熱表面面積，m2σ玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2?K4)T1散熱表面溫度，KT2環(huán)境溫度，K7.2.2機箱（柜）表面自然對流散熱對在海平面任意方向尺寸小于600mm的機箱（柜），表面的自然對流換熱可以用下列簡化公式計算：Q2=2.5CA△t1.25/D0.25其中，Q2表面自然對流散熱量，WC系數(shù)，水平板時，熱面朝上為0.54，朝下為0.27；豎平板時為0.59A散熱面積，m2△t換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃D特征尺寸，對于豎平板或豎圓柱，特征尺寸為高度H，其它，為（長+寬）/2，m7.2.3機箱的開孔設(shè)計當(dāng)Q1+Q2小于機箱（柜）的總功耗時，必須在機箱（柜）上開通風(fēng)孔，使冷空氣從機箱（柜）的底部進入，熱空氣從頂部排出。通風(fēng)孔的面積為：S=(Q-Q1-Q2)/2.4×10-3H0.5△t1.5其中，S進（出）風(fēng)口面積，cm2Q機箱（柜）總功耗，WH機箱（柜）的高度，cm△t機箱（柜）的溫升，℃小機箱的通風(fēng)孔面積可從下面圖11查得：通風(fēng)孔的布置原則應(yīng)使進、出風(fēng)孔盡量遠(yuǎn)離，進風(fēng)孔應(yīng)開在機箱的下端接近底板處，出風(fēng)孔應(yīng)開在機箱側(cè)上端接近頂板處，以形成煙囪效應(yīng)。圖11機箱通風(fēng)面積與耗散功率對照圖7.2.4自然對流散熱器的設(shè)計應(yīng)用散熱器，其實質(zhì)是通過散熱器與冷卻流體的接觸來增大有效散熱面積。在自然對流狀態(tài)下，散熱器的肋片應(yīng)盡量垂直于水平面。自然冷卻用散熱器其肋片間距應(yīng)比強迫對流時的大，此外，肋片間距還與散熱器的長度有關(guān)，下面表1可以作為參考：表1：散熱器肋片長度與間距設(shè)計參考表氣流狀況肋片長度75mm150mm225mm300mm自然對流6.5mm7.5mm10mm13mm1.0m/s4.0mm5.0mm6.0mm7.0mm2.5m/s2.5mm3.3mm4.0mm5.0mm5.0m/s2.0mm2.5mm3.0mm3.5mm散熱器性能與垂直氣流方向的寬度成正比，與氣流方向長度的平方根成正比，所以增加散熱器寬度的效果要好于增加長度；另外,型材散熱器的肋片表面增加波紋可以增加10%到20%的散熱能力；最后，在自然對流情況下,輻射熱傳遞作用較突出,輻射熱傳遞可以提高25%的散熱量,所以,除非是器件附近有高熱源,散熱器表面都應(yīng)涂覆或氧化處理以提高輻射性能。當(dāng)然，我們也可以定量地優(yōu)化散熱器的設(shè)計，這在下面將討論到。散熱器的自然對流散熱可以按下式簡化計算：Q=hcA△thc=1.07×10-4(△t/L)0.25其中，Q散熱器對流散熱量，卡/秒（1卡/秒=4.18W）hc對流換熱系數(shù)，卡/秒cm2?℃A散熱器散熱面積，cm2△t散熱器表面溫度與環(huán)境溫度之差，℃L散熱器的特征長度，等于肋片的長度，cm7.2.5自然冷卻設(shè)計其它應(yīng)注意的問題（1）自然冷卻時，設(shè)備內(nèi)部的主要傳熱方式應(yīng)采用導(dǎo)熱，盡量減小發(fā)熱器件到機殼的傳導(dǎo)熱阻，盡量不采用輻射作為主要的傳熱方式，因為大量的輻射傳熱需要很大的溫差，且由于輻射能量的散射，控制熱流通路比較困難；另外，要加強內(nèi)部空氣對流（借助風(fēng)機）；（2）對于完全密封，且為自然散熱，在保證將內(nèi)部熱量充分傳導(dǎo)到外殼的前提下，考慮增加機殼表面積，例如，如果采用壓鑄件，可以將外殼表面設(shè)計成象散熱器那樣的肋片，以增加自然對流換熱面積；也需要考慮使輻射散熱盡可能大，如增加散熱外表面的粗糙度、發(fā)黑處理等；（3）采用隔熱板進行屏蔽隔離時，一般采用黑度低、表面光潔度高的材料做隔熱板；（4）自然冷卻時，不管采用何種冷卻系統(tǒng)，都應(yīng)保證內(nèi)部熱流不會使設(shè)備外表面的溫度上升到人所不能忍受的程度；如果需要將熱量引到外殼上，最好不要在正面需要經(jīng)常接觸的地方，而是側(cè)面或背面上。7.3強迫風(fēng)冷計算一般地，當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.08W/cm2，體積功率密度超過0.18W/cm3時，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需采用強迫風(fēng)冷散熱。機箱（柜）的表面輻射散熱、表面自然對流散熱和機箱的開孔設(shè)計見前面的自然冷卻。7.3.1強迫對流換熱計算Q=hcAΔt其中：Q--強迫對流的換熱量，WA--散熱表面面積(m2)，若散熱體為印制板，則散熱表面積為1.3倍的單面面積，因為背面散熱量大約為前面的30%。Δt--風(fēng)道內(nèi)主器件表面溫度與機箱內(nèi)溫度之差℃。hc--對流換熱系數(shù)，與風(fēng)道尺寸形狀有關(guān)。hc可按下面計算：準(zhǔn)則方程雷諾數(shù)Re的計算公式為：Re=ρvD/μ其中，ρ--流體的密度，kg/m3；v--流體流速，m/s；μ--流體動力粘度，Pa?s；D--特征尺寸，m。強迫對流換熱準(zhǔn)則方程見下面表2：表2：強迫對流換熱方程換熱表面形狀Re范圍流態(tài)準(zhǔn)則方程特征尺寸管內(nèi)流動<2200>104層流紊流Nu=1.86(RePrD/l)1/3(μl/μw)0.14Nu=0.023Re0.8Pr0.4其中，D--特征尺寸，m；l--管長，m；μl--平均溫度下流體的動力粘度，Pa；μw--壁溫下流體的動力粘度，Pa內(nèi)徑或當(dāng)量直徑沿平板流動(或平行柱體流動）<105>105層流紊流Nu=0.66Re0.5Nu=0.032Re0.3沿流動方向長度而努謝爾特數(shù)Nu為：Nu=hcD/λ其中，hc--對流換熱系數(shù)，W/(m2?℃)；D--特征尺寸，m；λ--流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)；2)hc=JCpGPr-2/3其中，Cp--定壓空氣比熱容，J/(kg?℃)G--通道的單位面積的質(zhì)量流量，kg/(m2?s)Pr--普朗特數(shù)J--考爾本數(shù)，取決于雷諾數(shù)Re及通風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸與形狀。當(dāng)200≤Re≤1800，風(fēng)道為矩形，長寬比≥8時：J=6/(Re0.98)風(fēng)道為正方形時：J=2.7/(Re0.95)當(dāng)104≤Re≤1.3×105，紊流時：J=0.23/(Re0.2)當(dāng)400≤Re≤1500，通道為扁平肋片式冷板時：J=0.72/(Re0.7)上面，單位面積的質(zhì)量流量G=qm/A，其中qm為質(zhì)量流量，A為通風(fēng)道橫截面積。qm=Ф/(Cp△t)=ρqv其中，Φ--熱流量，Wρ--空氣密度，kg/m3qv--體積流量，m3/s7.3.2芯片散熱器的設(shè)計對于功耗較大的芯片，即使在強迫對流的情況下，也需要加散熱器。下面的方法適用于散熱器的設(shè)計：（1）散熱器總熱阻：θja=θjc+θcs+θsa或(Tj-Ta)/P=θjc+θcs+θsa上面，單位面積的質(zhì)量流量G=qm/A，其中qm為質(zhì)量流量，A為通風(fēng)道橫截面積。其中：P—半導(dǎo)體器件耗散功率，WTa—環(huán)境溫度,℃Tj—半導(dǎo)體器件結(jié)溫,℃θja—總熱阻，℃/Wθjc—半導(dǎo)體器件內(nèi)熱阻，即結(jié)到殼的熱阻，℃/W；θcs—半導(dǎo)體器件與散熱器之間介質(zhì)的接觸熱阻，即殼到散熱器的熱阻，℃/W；θsa—散熱器熱阻，即散熱器到周圍環(huán)境空氣的熱阻；（2）上式中，結(jié)溫Tj和芯片內(nèi)熱阻θjc可由芯片資料查到；接觸熱阻θcs根據(jù)實際情況，一般為0~1℃/W；（3）散熱器熱阻θsa=1/hcSη其中，hc--對流換熱系數(shù)，W/(m2?℃)；S--散熱器的總散熱面積，m2；η--散熱器的效率；（4）散熱器散熱面積S=n?Sf其中，n--散熱器肋片數(shù)；Sf--散熱器每肋片表面積。又：Sf=Hf’?Lf其中，肋片計算高度Hf’=Hf+0.5tf；肋片計算長度Lf’=2×(L+tf)；Hf--散熱器肋片高度，mTf--散熱器肋片厚度，mL--散熱器肋片長度，m（5）散熱器的效率η=tanh(φ?Hf’)/(φ?Hf’)其中，φ2=hcLf’/KSffhc--對流換熱系數(shù)，W/(m2?℃)Lf’--肋片計算長度K--散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)Sff=L×tfHf--為同上邊計算高度；注意：①一般情況下，固定在散熱器上的芯片散熱面面積較散熱器底座面積要小，實質(zhì)上此處有傳導(dǎo)熱阻，散熱器底座與芯片接觸的部分要有良好的平整度，以免產(chǎn)生額外的接觸熱阻；②上述計算中認(rèn)為散熱器材料是理想導(dǎo)熱材料，散熱器中不存在溫差；③上述計算是以強迫對流為例，實質(zhì)上也適用于自然散熱，只不過此時的換熱系數(shù)要用自然對流情況下的。7.3.3風(fēng)扇的選擇計算(1)直流風(fēng)扇的分類有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）三種。軸流風(fēng)扇：特點是風(fēng)量大、風(fēng)壓低，風(fēng)量風(fēng)壓曲線中間的平坦轉(zhuǎn)折區(qū)為軸流風(fēng)扇特有的不穩(wěn)定工作區(qū)，一般要避免風(fēng)扇工作在該區(qū)域。最佳工作區(qū)在低風(fēng)壓、大流量的位置。如果散熱片的流阻比較大，也可以利用高風(fēng)壓、低流量的工作區(qū)，但要注意風(fēng)量是否達到設(shè)計值。離心風(fēng)扇：風(fēng)扇的進風(fēng)和出風(fēng)的方向垂直，其特點為風(fēng)壓大、風(fēng)量低，最好工作在曲線中壓力較高的區(qū)域，即高風(fēng)壓、低風(fēng)量。混流風(fēng)扇：其特點介于軸流和離心之間，風(fēng)扇的出風(fēng)和進風(fēng)的方向有一定的傾斜角度，風(fēng)量可以立即擴散到散熱片的各個角落，而且風(fēng)壓與風(fēng)量都比較大，但風(fēng)扇HUB直徑較大，正對HUB的部分風(fēng)速很低，回流比較嚴(yán)重，比較適用于嵌入式風(fēng)扇的散熱模組。如下面圖12所示的三種風(fēng)扇的PQ曲線圖：圖12三種風(fēng)扇的PQ曲線圖(2)風(fēng)扇的特性風(fēng)扇的風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線決定風(fēng)扇的性能和使用特性，從曲線可以看出，要使風(fēng)扇的風(fēng)量越大，其產(chǎn)生的靜壓就越小，用于克服風(fēng)道阻力的能力就越小，如下面圖13所示的PQ曲線圖。圖13風(fēng)扇PQ曲線圖(3)系統(tǒng)阻力特性與風(fēng)扇工作點的確定風(fēng)扇的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力曲線是通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的靜壓與空氣流量的特性曲線，與流量的平方成正比。如下面圖14中所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風(fēng)道）的特性曲線。系統(tǒng)（風(fēng)道）阻力特性曲線與通風(fēng)機的特性曲線交點就是這個風(fēng)扇的工作點。如風(fēng)扇與系統(tǒng)Ⅱ的配合，其工作點就是B點，風(fēng)量為qvB(m3/s),風(fēng)壓為PB(Pa)。圖14系統(tǒng)阻力與風(fēng)扇PQ曲線交匯圖(4)風(fēng)扇的選擇選擇風(fēng)機時要考慮的因素包括：風(fēng)量、風(fēng)壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統(tǒng)（或風(fēng)道）阻力特性、應(yīng)用環(huán)境條件、噪聲要求、體積、重量以及風(fēng)扇電源線的傳導(dǎo)發(fā)射等，其中風(fēng)量和風(fēng)壓是主要參數(shù)。根據(jù)電子設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)所需之風(fēng)量和風(fēng)壓及空間大小確定風(fēng)機的類型。當(dāng)要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低、噪音小的設(shè)備，盡量采用軸流式風(fēng)機，反之選用離心式風(fēng)機。風(fēng)機類型確定后，再根據(jù)工作點來選擇具體的型號和尺寸。強迫冷卻所需的風(fēng)量計算：Q=W/(Cp×△t×ρ)其中，Q--風(fēng)量，m3/s；W--功耗，W；Cp--空氣定壓比熱，J/(kg?℃)；△t--系統(tǒng)內(nèi)溫度與環(huán)境溫度之差，℃；ρ--空氣密度，kg/m3。靜壓損失Pi的計算：風(fēng)機向機箱內(nèi)吹風(fēng)或抽風(fēng)，氣流通過不同的狹窄風(fēng)道產(chǎn)生摩擦力和靜壓損失，使風(fēng)壓降低、風(fēng)速減小。靜壓損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失，一般地，可根據(jù)風(fēng)道的形狀做出估算。通常將靜壓損失數(shù)稱為速度頭。Pi=α(Vi/1277)2其中，Pi--靜壓損失（或速度頭），厘米水柱；α--為一系數(shù)，按空氣流經(jīng)不同的風(fēng)道估算，見下面表3所示；Vi--風(fēng)速，cm/s。風(fēng)速Vi=Q/Ai其中，Q--風(fēng)量，cm3/s；Ai--風(fēng)道的截面積，cm2。表3：靜壓損失系數(shù)對照表風(fēng)道情況空氣的進出口防塵網(wǎng)進出風(fēng)機90℃拐彎進入鍥型通道系數(shù)α1.01.01.0~1.52.00.5(5)風(fēng)扇的串聯(lián)和并聯(lián)當(dāng)所選通風(fēng)機的風(fēng)量或風(fēng)壓不能滿足要求時，可采用串聯(lián)或并聯(lián)工作方式來滿足要求。當(dāng)通風(fēng)機的風(fēng)量能滿足要求，而風(fēng)壓不夠時，可采用兩只通風(fēng)機串聯(lián)工作方式，以提高其工作壓力。通風(fēng)機串聯(lián)時，其工作特性發(fā)生變化：風(fēng)量基本上是每臺通風(fēng)機的風(fēng)量（略有增加），而風(fēng)壓則為相同風(fēng)量下兩臺通風(fēng)機風(fēng)壓相加，風(fēng)壓增加，如下面圖15中a所示。當(dāng)通風(fēng)機并聯(lián)使用時，其風(fēng)壓比單個通風(fēng)機的風(fēng)壓稍有提高，而總的風(fēng)量是各通風(fēng)機風(fēng)量之和，如下面圖15中b所示。當(dāng)風(fēng)道特性曲線比較平坦，需增大風(fēng)量時，可采用并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是氣流路徑短，阻力損失小，氣流分布比較均勻，但效率低。圖15風(fēng)扇串并聯(lián)參數(shù)變化圖(6)風(fēng)扇的安裝位置強迫冷卻分為吹風(fēng)和抽風(fēng)，吹風(fēng)時，機箱內(nèi)的壓力為正壓，好處是灰塵不易沿機箱的縫隙進入，且風(fēng)量集中，風(fēng)壓大，適用于熱量分布不均勻，需要專門風(fēng)道，風(fēng)阻大的整機；壞處是風(fēng)扇的電機產(chǎn)生的熱量也被冷空氣帶入機箱，影響散熱效果，另外，對于非密封設(shè)備，還有漏風(fēng)現(xiàn)象。抽風(fēng)時，機箱內(nèi)的壓力為負(fù)壓，好處是風(fēng)扇電機的熱量不會進入機箱內(nèi)，而且還可以從機箱的其它縫隙中抽入一部分冷空氣，提高冷卻效果，且風(fēng)量大、風(fēng)壓小，適用于熱耗分布比較分散的整機；壞處是灰塵容易從四周縫隙進入機箱。風(fēng)扇的安放位置一般應(yīng)在氣流的下游，這樣氣流速度分布較好，冷卻效果也好。7.3.4強迫風(fēng)冷設(shè)計應(yīng)注意的其它問題(1)在機柜(機箱)設(shè)計中，為避免層與層之間的熱影響，層與層之間應(yīng)加隔熱層板，隔熱層板應(yīng)向后上方傾斜，以兼起導(dǎo)風(fēng)板的作用；（2）進出風(fēng)口的開孔率應(yīng)盡可能大，建議大于50%；（3）空氣應(yīng)自機柜（箱）的下部向上部循環(huán)，應(yīng)采用專用的進、排風(fēng)孔。進風(fēng)孔應(yīng)設(shè)置在機柜（箱）下側(cè)或底部，但不要過低，以免污物和水進入安裝在地面的機柜（箱）內(nèi)，緊靠的系列機柜的進風(fēng)孔應(yīng)開在機柜的前下側(cè)；排風(fēng)孔應(yīng)設(shè)置在機柜（箱）的頂部，但不要直接開在頂面上，以免外部物質(zhì)或水滴落如機柜，上端邊緣應(yīng)是首先選擇的位置；（4）底板、屏蔽板、隔熱板、PCB板和電纜的位置應(yīng)使氣流暢通，不要阻斷或妨礙空氣流動；（5）風(fēng)扇要便于維修、更換，當(dāng)有多個風(fēng)扇時，最好將每個風(fēng)扇做成一個單獨的插箱，以便更換、維修壞了的風(fēng)扇時，不影響系統(tǒng)的散熱；防塵網(wǎng)要能方便地抽出清洗；（6）軸流風(fēng)扇的出風(fēng)口位置離發(fā)熱器件的距離不要太近，最好大于D/2，其中D為風(fēng)扇的外形尺寸；進風(fēng)口處的防塵網(wǎng)離風(fēng)扇的位置也要大于D/2；（7）在強迫風(fēng)冷時，特別要注意風(fēng)道，不要出現(xiàn)氣流回旋、短路等現(xiàn)象；（8）在插箱（子架）中，當(dāng)有空槽位，需要裝假面板時，不能只在外面裝一個假面板了事，建議在假面板上裝一塊相同大小的金屬板來代替原來的PCB板，且該金屬板上要折彎，以不使空氣從阻力最小的地方跑掉，而是強迫它流向有PCB的地方。這里要注意不要使風(fēng)道的阻力太大。8導(dǎo)熱填充介質(zhì)的使用當(dāng)兩個名義上平的固體表面相互接觸時，實際上固體對固體的接觸僅僅發(fā)生在一些離散的接觸面積上，如下面圖16所示。當(dāng)這些離散接觸面之外的間隙空間為真空時，這部分空間產(chǎn)生的是非常小的輻射換熱。當(dāng)這些間隙充滿流體（空氣）時，由于間隙薄且界面溫差小，對流難于實現(xiàn)，所以對流換熱可以忽略不計，熱量將以導(dǎo)熱方式穿過這層流體。因此兩固體平面接觸面之間形成了一種額外的附加熱阻接觸熱阻。兩個導(dǎo)熱接觸面之間必須填放導(dǎo)熱填充介質(zhì)來減小熱傳導(dǎo)路徑中的接觸熱阻，下面根據(jù)不同應(yīng)用情況分類說明。圖16兩固體平面接觸面放大圖8.1導(dǎo)熱間隙填充材料也稱導(dǎo)熱墊片，此類物料為片狀，壓縮性較好，有不同規(guī)格的厚度，如0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm等等，適用于兩個固體平面之間有明顯間隙情況（即兩個平面沒有完全貼緊，有設(shè)計上的距離存在）下的距離補償上的填充。目前公司常用材料有PK404。8.2導(dǎo)熱雙面膠帶粘貼強度高，熱阻抗較大，適用于低發(fā)熱量，較大封裝平面外形的熱源搭配小散熱片的粘貼固定，選擇這種導(dǎo)熱材料不便于散熱片的反復(fù)拆裝。目前公司常用材料有3M8810,T411等。8.3導(dǎo)熱相變化材料此類物料常溫下呈固態(tài)，具有一定粘性，當(dāng)其所處元器件表面的工作溫度達到45～58℃時會軟化，并逐漸融化成類似液體的狀態(tài)填充在散熱片與元器件之間的間隙內(nèi)，當(dāng)元器件停止工作后，散熱片和元器件表面溫度逐漸降低，此時又會恢復(fù)至固態(tài)。相變化材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為相變過程，此類物料在相變過程中會吸收或釋放大量的潛熱，所以其特點是熱阻抗小，導(dǎo)熱效果好，有較強的粘性，不便于散熱片的反復(fù)拆裝。目前公司常用材料有T557。8.4導(dǎo)熱膏一般為硅脂類混合物，呈膏狀，具有流動性，主要由高分子聚合物和填料組成，實際應(yīng)用中為了提高其導(dǎo)熱能力通常在其中添加一些導(dǎo)熱優(yōu)良的金屬粉末成分。此類物料適用于兩個鎖合在一起，完全貼緊，且有相互作用力的固體平面之間做導(dǎo)熱填充，生產(chǎn)操作上需要均勻涂刷，隨著產(chǎn)品的長時間使用易干滯，結(jié)合面邊緣易附著灰塵，散熱片拆卸后需要擦凈結(jié)合面上的殘留物和污漬，涂刷新的導(dǎo)熱膏后才可以將散熱片再重新裝回。目前公司常用材料有T670、G3380B等。8.5導(dǎo)熱凝膠此類物料類似泥狀，不流動，可兼顧兩個結(jié)合平面之間的微小間隙填充，適用于兩個貼緊面之間做導(dǎo)熱填充。目前公司常用材料有T652、PUTTY2等。9熱仿真電子設(shè)備熱仿真軟件是基于計算傳熱學(xué)技術(shù)（NTS）和計算流體力學(xué)技術(shù)（CFD），發(fā)展形成的電子設(shè)備散熱設(shè)計輔助分析軟件。它可以幫助熱設(shè)計工程師驗證和優(yōu)化熱設(shè)計方案，滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需要，并可以顯著降低產(chǎn)品驗證過程中熱測試的工作量。熱仿真技術(shù)的主要思想是把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，如溫度場、速度場、壓力場等，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后通過計算機數(shù)值計算來求解代數(shù)方程組，并獲得這些場變量的近似值。我司常用的熱仿真軟件為Flotherm、Icepak。備注：下文中關(guān)于仿真軟件操作均是以Flotherm作為舉例說明。9.1熱仿真分析過程LOTHERM通過建立基于實體的簡化模型，以有限體積法劃分網(wǎng)格單元，采用計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)求解技術(shù)，通過流體方程和傳熱方程的迭代，求解出整個模型系統(tǒng)中的流場、溫度場數(shù)據(jù)。其基本步驟為如下面圖17所示。建模：賦予屬性和加載建模：賦予屬性和加載設(shè)定邊界條件和求解域參數(shù)劃分網(wǎng)格求解后處理圖17熱仿真步驟圖9.2建模建模是熱仿真的第一步，也是至關(guān)重要的一步，其必須遵循的原則是：在依據(jù)實體的基礎(chǔ)上，忽略不必要的細(xì)節(jié)以取得簡化模型，且簡化模型必須能夠反應(yīng)實體在系統(tǒng)中的流場狀況而不至于造成較大偏差。如單板上接插件的排布在與風(fēng)向平行時可以不考慮其風(fēng)阻，但在接插件垂直于風(fēng)向，相比與整體結(jié)構(gòu)尺寸偏大時，則此影響就不可以忽略。下面針對我司產(chǎn)品在熱仿真過程中常用到的模型逐一介紹。PCB板：PCB板的建模方法有兩種，如下面圖18所示。詳細(xì)模型：適用于單板、互連或考慮PCB板過孔、局部銅箔等優(yōu)化散熱情況。需要詳細(xì)建每一層CU和FR4的模型，疊加起來成為一塊完整的PCB模型。以一塊厚度1.6mm的8層板為例：8層銅，每層銅厚度1OZ，銅導(dǎo)熱系數(shù)380W/（m?K）；7層FR4，每層FR4厚度一般不等，F(xiàn)R4導(dǎo)熱系數(shù)0.25-0.3W/（m?K）。簡單模型：適用于系統(tǒng)級仿真分析，使用FLOTHERM軟件里面的PCB模型或者是各向異性導(dǎo)熱系數(shù)的Cubiod模型。PCB模型可以設(shè)置層數(shù)，含銅量來計算出各方向的導(dǎo)熱系數(shù)。如果需要考慮輻射散熱，PCB的發(fā)射率可設(shè)置為0.9。圖18PCB模型的簡化散熱器：散熱器建模方法有兩種，如下面圖19所示。簡單模型：FIN部分采用流阻模型代替，主要應(yīng)用于系統(tǒng)阻力優(yōu)化等，極大地降低網(wǎng)格數(shù)量，提高仿真效率。詳細(xì)模型：需要建FIN的具體模型。圖19散熱器模型材料設(shè)置：AL6063-T5的導(dǎo)熱系數(shù):205W/(m?K)，CU1100的導(dǎo)熱系數(shù)：380W/(m?K)。如果需要考慮輻射散熱，散熱器的發(fā)射率可設(shè)置為0.8~0.85。在散熱器設(shè)計時，需要考慮充許的尺寸大小、散熱器的熱阻、壓降、冷卻風(fēng)流量等，必要時可以利用CommandCenter來優(yōu)化設(shè)計。熱管：熱管有復(fù)雜的相變過程，在FLOTHERM中熱管是用立方體建模而不是圓柱，首先需要計算相當(dāng)?shù)臒峁鼙砻娣e。熱管截面正方形邊長等于:D為熱管直徑常用熱管建模方法有三種，在FLOTHERM7.1以前版本只能使用前兩種方法建模。采用各向異性材料：軸向?qū)嵯禂?shù)設(shè)置為：15000-30000W/(m?K)；徑向?qū)嵯禂?shù)設(shè)置為：380W/(m?K)。詳細(xì)模型：CuWall：厚度等于熱管壁厚，K=380w/(m?K)；Vapor：尺寸等于熱管內(nèi)部尺寸，K=50000w/(m?K)；Wick：壓縮模型，厚度1mm，位于CuWall和Vapor之間，K=40w/(m?K)；Interface：壓縮模型，位有CuWall和其他接觸物體之間。熱管Smartpart模型在FLOTHERM7.1以后版本的建模方法，使用起來比較方便，如下面圖20所示。要求輸入熱管有效熱阻以及最大熱流量；考慮熱管與散熱器的接觸熱阻,可以通過在熱管網(wǎng)絡(luò)立方體(NetworkCuboid)上添加Surface屬性。圖20嵌入熱管的散熱器模型在利用熱管仿真時，應(yīng)注意檢查熱管冷端和熱端的溫差△T，在正常條件下△T=3~5度比較合理，同時需要考慮熱管和元件接觸方式、打扁、折彎等對散熱的影響。風(fēng)扇：我司常用的風(fēng)扇有軸流風(fēng)扇和離心風(fēng)扇，這兩種類型風(fēng)扇的建模方法差別很大。軸流風(fēng)扇建模：圖213D4Facets圖223D8Facets圖233D12Facets在FLOTHERM仿真分析中，軸流風(fēng)扇常用的模型如上面圖21、22、23所示，F(xiàn)acets越多，越接近真實的軸流風(fēng)扇，另一方面帶來的是網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，質(zhì)量變差。綜合這兩方面因素，在仿真分析時優(yōu)先使用3D8Facets風(fēng)扇模型。特別需要注意：當(dāng)風(fēng)扇工作點較高，出口風(fēng)壓較大；器件排布不規(guī)則或者是關(guān)鍵器件離風(fēng)扇較近時，一定要選擇Swirl選項，考慮風(fēng)扇出口空氣旋轉(zhuǎn)對散熱的影響，如圖24所示。圖24風(fēng)扇出口離心風(fēng)扇建模：離心風(fēng)扇的建模相對比較復(fù)雜，也比較難收斂。在復(fù)雜系統(tǒng)中通常會用簡化的模型來代替。如下面圖25中所示的風(fēng)扇流動方式。詳細(xì)離心風(fēng)扇模型：在FLOTHERM6.1以后版本采用，需要采用RecirculationDevice進行離心風(fēng)扇的建模，如下圖所示。在RecirculationDevice模型中可以定義離心風(fēng)扇的PQ曲線，不同的出口流場形式；但離心風(fēng)扇進出口的形狀和尺寸，需要利用Cuboid、Prism、Cylinder等模型來構(gòu)建。圖25離心風(fēng)扇風(fēng)的流動方式簡化離心風(fēng)扇模型在很多復(fù)雜系統(tǒng)中，常常用簡化的離心風(fēng)扇模型代替詳細(xì)離心風(fēng)扇模型，如下面圖26所示。圖26離心風(fēng)扇模型的簡化2DFanout2DFanout簡化離心風(fēng)扇模型，主要有三部分組成：1、風(fēng)扇框及風(fēng)扇入風(fēng)口結(jié)構(gòu)；2、2D進風(fēng)風(fēng)扇，流量設(shè)定：Q=Q離，壓力設(shè)定：P=1/2P離；3、2D出風(fēng)風(fēng)扇，流量設(shè)定：Q=Q離，壓力設(shè)定：P=1/2P離。當(dāng)系統(tǒng)中含離心風(fēng)扇時，注意將FanRelaxation設(shè)為0.4~0.7，否則容易發(fā)散。在筆記本散熱仿真分析，一般殼體溫度最高值會出現(xiàn)在離心風(fēng)扇和熱交換器區(qū)域，這時需要考慮風(fēng)扇的功耗對C、D表面溫度的影響。BGA芯片：BGA芯片的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，要想獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，既要了解芯片的散熱結(jié)構(gòu)，又必須對其進行合理的簡化。以MeromCPU為例，簡化后的主要組成如下面圖27所示，不同型號的CPU，大同小異，與散熱相關(guān)的組成、材質(zhì)差異不大，區(qū)別在于Die的尺寸，熱源的尺寸、大小及位置、分布。在很多情況下，熱源的熱量不是均勻分布且差異很大時，需要細(xì)化熱源，因為局部熱源密度會影響TjMax，從而影響我們仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖27芯片模型在FLOTHERM仿真分析中，關(guān)鍵是定義與散熱相關(guān)的各組成的尺寸、材料屬性等。下面表4為MeromCPUFLOTHERM模型的尺寸及材料屬性，建模時可以作為參考。表4：CPU建模材料屬性參照表ElementFlothermModelingDimensionsX,Y,Z(mm)ThermalAttributesKx,y,z(W/mK)DieBlock13.8×10.5×0.79K=120,120,120SourcePlanarSource6.4×8C4-dieattachBlock(planar)13.8×10.5×0.079K=0.22,0.27,12.6SubstrateBlock35×35×1.178K=81.2,81.2,0.88Socket+pins(forPGA)Block35×35×2.47K=0.38,0.38,0.98BGABlock35×35×0.66K=0.04,0.04,8.2Airblock(notshown)Block19×19×3.13K=0.026,0.026,0.026內(nèi)存：內(nèi)存條結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)復(fù)雜，有直插、斜插、平插各種類型，主要包括內(nèi)存顆粒、PCB板、內(nèi)存連接器組成，如下面圖28所示。FLOTHERM建模時，內(nèi)存顆粒采用雙熱阻模型，常用小內(nèi)存顆粒尺寸12.4×11.9×1.0，Rjc=3，Rjb=21，內(nèi)存顆粒的平均功耗0.2-0.3W。內(nèi)存PCB的導(dǎo)熱系數(shù)平面方向為32W/mk，垂直方向為0.33W/mk，中間部分連接器，長度方向?qū)嵯禂?shù)為0.1W/mk，其他兩個方向?qū)嵯禂?shù)8W/mk，兩側(cè)連接器，長度方向?qū)嵯禂?shù)為0.1W/mk，他兩個方向?qū)嵯禂?shù)3.5W/mk。圖28內(nèi)存條模型導(dǎo)熱膏/墊：導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊是用來降低散熱器和芯片之間的接觸熱阻，但本身也有熱阻，在仿真分析中需要考慮，特別是在Die較小，功耗高的情況。導(dǎo)熱膏建模時，可采用CollapseCuboid模型，但需注意不能被散熱器等其他物體覆蓋，目前我司常用導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱系數(shù)在2-6W/mk。多孔板、流阻：多孔板和流阻模型在整機或系統(tǒng)仿真中經(jīng)常會用到，這兩個模型會影響到系統(tǒng)的阻力、風(fēng)量、風(fēng)壓，直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果進出風(fēng)口、風(fēng)扇隔層的通孔比較規(guī)則，可以采用多孔板模型，該相對比較簡單，只要選擇開孔的類型、孔間距，F(xiàn)LOTHERM會自動計算出開孔率和壓力損失。流阻模型分為平面流阻和體流阻，平面流阻主要用于無規(guī)則形狀或網(wǎng)狀等進出風(fēng)口，體流阻主要用于防塵網(wǎng)等需要考慮厚度的流動阻力，或者是用于散熱器、電源模塊內(nèi)部的阻力設(shè)定。在流體流動速度方面帶有一點角度時，盡量使用體積阻尼。殼體：整機仿真分析中，機殼的建模也是非常關(guān)鍵的，殼體常用的材料有普通剛、塑料、鋁、鎂鋁合金等，它們導(dǎo)熱系數(shù)分別為40W/mk、0.2-0.25W/mk、280W/mk、71W/mk。在強制對流系統(tǒng)內(nèi)，通過殼體散走的熱量可以忽略不及，不需要考慮輻射模型，殼體可以建成沒有壁厚模型，可以減少計算網(wǎng)格。在自然對流或密閉整機系統(tǒng)中，或者是特別需要關(guān)注殼體表面溫度時，必須考慮殼體的厚度，Collaspsed及Thin殼體模型，不能參與輻射計算。其他：其他一些常用模型包括HDD、CD、DVD、電池等，在系統(tǒng)中占有的空間比較大，但相對功耗較小。這些模型材料屬性、熱源位置、大小都很難確認(rèn)，在仿真分析中，應(yīng)從供應(yīng)商獲得相關(guān)資料，按著資料來建模，如果沒有任何資料，可以參考以下簡化模型。HDD、CD、DVD導(dǎo)熱系數(shù)10W/mk，發(fā)射率0.8，仿真時CD、DVD可以不設(shè)定功耗，小硬盤的功耗2W左右，大硬盤功耗在10W以內(nèi)，因為這些設(shè)備測試時都不會滿負(fù)載運行。電池導(dǎo)熱系數(shù)10W/mk，發(fā)射率0.9，功耗1.5W。實際上，一個系統(tǒng)中除了CPU、南北橋芯片、內(nèi)存等大功耗期間外，還會有許多小功耗器件，比如電感、電阻、晶振等，仿真時這部分器件不可能一一建模，但需要把這部分器件的功耗均布到PCB板上，保證系統(tǒng)功耗的準(zhǔn)確9.3設(shè)定邊界條件和求解域在熱仿真分析過程中，求解域的設(shè)定十分重要。求解域過大，勢必增加網(wǎng)格數(shù)量，延長計算時間；求解域過小，會忽略外圍因素的影響，造成很大的計算誤差。一般情況下，強制對流可以不放大求解域，但在下列場合必須放大求解域：自然對流換熱系統(tǒng)，如下面圖29所示。封閉系統(tǒng)外部邊界條件對內(nèi)部影響較大的情況圖29自然對流散熱系統(tǒng)求解域放大原則其中，在自然對流系統(tǒng)中，當(dāng)重力方向和水平方向尺寸差別不大時，重力反方向放大2倍；除重力方向外，其余方向各放大一倍。9.4參數(shù)的輸入對于熱仿真而言，模型是仿真計算及后處理結(jié)果的載體，各個模型及環(huán)境的輸入?yún)?shù)是保證仿真計算準(zhǔn)確性的重要前提，也是仿真計算的依據(jù)。熱仿真的輸入?yún)?shù)包括環(huán)境參數(shù)、實體模型的材料參數(shù)、導(dǎo)熱填充介質(zhì)的參數(shù)、風(fēng)扇流體參數(shù)、熱源功率參數(shù)、特定仿真模型的參數(shù)等幾大部分。(1)環(huán)境參數(shù):前面所述計算域的設(shè)置也是環(huán)境參數(shù)的一部分，除此之外還要輸入六個面的屬性、環(huán)境溫度、重力方向、大氣壓等。(2)實體模型的材料參數(shù):對熱設(shè)計有直接影響的實體模型，如散熱片、熱設(shè)計方案所含蓋的發(fā)熱元器件、導(dǎo)熱塊、密閉整機外殼等要輸入確切的材料參數(shù)。這個環(huán)節(jié)可以充分運用仿真軟件本身已有的材料庫，材料庫中沒有的再另外設(shè)置傳熱學(xué)參數(shù)。(3)導(dǎo)熱填充介質(zhì)的參數(shù):這部分材料要根據(jù)實際選用的材質(zhì)規(guī)格輸入傳熱學(xué)參數(shù)，對于簡化后無實體厚度的模型來講還要輸入計算厚度參數(shù)，以免人為造成計算誤差。(4)風(fēng)扇流體參數(shù):對于強迫風(fēng)冷散熱的整機系統(tǒng)來講，風(fēng)扇是關(guān)鍵部件，除了在建模環(huán)節(jié)中對其形狀做完整定義外，還要根據(jù)其規(guī)格書輸入各項工作參數(shù)，如風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等固有參數(shù)，還有相對于機箱系統(tǒng)來講是進風(fēng)，還是出風(fēng)，還是內(nèi)置等相對屬性。風(fēng)扇是電力驅(qū)動的工作部件，工作過程中自身也發(fā)熱，為了使仿真結(jié)果相對準(zhǔn)確也要輸入功率參數(shù)。(5)熱源功率參數(shù):CPU、橋芯片、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)芯片、硬盤、電源模塊、轉(zhuǎn)接模塊卡等主要發(fā)熱元器件要按照其各自規(guī)格書中定義的最大熱設(shè)計功率值來輸入功率參數(shù)。整機系統(tǒng)整體熱功耗減去這些主要發(fā)熱元器件的熱功耗后還會剩余少量無法細(xì)化分配的熱量，這些剩余熱量可以分配到PCB等其它通電器件上。(6)特定仿真模型的參數(shù):特定仿真模型是指引用軟件模型庫中的已有的部分模型，如PCB、通風(fēng)孔等，這類模型的參數(shù)輸入以近可能地接近實際設(shè)計為宜，如PCB模型參數(shù)除了材料外還要細(xì)化到板的層數(shù)，銅箔比例等等。9.5網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格劃分，是熱仿真過程中最耗費時間也是最煩瑣的事情。為了獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，網(wǎng)格劃分時必須遵循以下規(guī)范：系統(tǒng)網(wǎng)格劃分思路：建立幾何模型后，打開SystemGrid控制欄，軟件自帶四種網(wǎng)格“None,Coarse,Medium,Fine”，點擊選擇None型；在GridSummary中，檢查細(xì)小網(wǎng)格（三個不同方向）所在位置，通過調(diào)整物體尺寸消除較小單元，提高最小網(wǎng)格單元數(shù)量級；針對不同區(qū)域，采用局域化網(wǎng)格。在網(wǎng)格單元控制參數(shù)中，建議采用控制最大單元尺寸選項。調(diào)整系統(tǒng)網(wǎng)格，通過控制Maxsize和Smooth來使系統(tǒng)網(wǎng)格長寬比控制在最佳范圍內(nèi)。系統(tǒng)網(wǎng)格質(zhì)量要求簡單模型最大網(wǎng)格長寬比要控制在20以內(nèi)，復(fù)雜模型最大網(wǎng)格長寬比要控制在40以內(nèi)。網(wǎng)格劃分時，要注意采用Smoothing工具，盡量避免大尺寸網(wǎng)格到小尺寸網(wǎng)格的直接過渡。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，直接影響到收斂的精度。散熱器網(wǎng)格劃分原則：高度方向：考慮散熱器底座的擴散熱阻，應(yīng)至少在散熱器底座上劃分2層網(wǎng)格，肋片高度方向3~4層網(wǎng)格一般就足夠；肋片間網(wǎng)格：需要3層網(wǎng)格才能考慮邊界層作用影響，能較好的模擬溫度性能，但如果要準(zhǔn)確計算散熱器的流阻，需要4~5層網(wǎng)格。肋片厚度網(wǎng)格：一般一層網(wǎng)格就可以。關(guān)鍵器件網(wǎng)格劃分原則：仿真中，為了保證關(guān)鍵器件的仿真精度，必須保證足夠的網(wǎng)格數(shù)量來保證計算精度。特別是熱流密度大的芯片，要特別注意芯片的網(wǎng)格劃分，一般情況下應(yīng)在各個方向保持3~5個以上的網(wǎng)格，必要時需對元件添加局部網(wǎng)格約束。芯片的熱流密度越大，芯片對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)越多，否則會產(chǎn)生較大的誤差。在CPU建模中，Die厚度方向至少要保證3層以上網(wǎng)格，Die長度和寬度方向至少應(yīng)有5個以上網(wǎng)格。例如：在單板中共有3個該元件，其中，A1和A3功耗為0.35W，A2的功耗為0.25W，自然散熱。不加網(wǎng)格約束時，由于各元件較小，軟件默認(rèn)只在x方向劃分了一個網(wǎng)格，在Y方向也只有3個網(wǎng)格；對各元件施加了至少劃分5個網(wǎng)格的約束，并在其膨脹尺寸為10%的范圍內(nèi)施加最少2個網(wǎng)格的約束，如下面圖30所示關(guān)鍵器件網(wǎng)格劃分方法。圖30關(guān)鍵器件上的網(wǎng)格網(wǎng)格劃分時，如果要捕抓小的特征尺寸，保證網(wǎng)格精度，就會極大的增加網(wǎng)格數(shù)量，同時會引起局部區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量很差，必須靈活應(yīng)用局域化網(wǎng)格來改善網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格數(shù)量，但需要注意局域化網(wǎng)格的特點：局域化網(wǎng)格之間可以嵌套，可以緊鄰，但不可以重疊，包括膨脹區(qū)，如下面圖31所示局域化網(wǎng)格劃分方法。圖31局域網(wǎng)格劃分系統(tǒng)網(wǎng)格原則：在速度、溫度、壓力梯度大的地方，網(wǎng)格要足夠精細(xì)。比如風(fēng)扇入口、系統(tǒng)進出口區(qū)域；溫度梯度大的區(qū)域主要集中在PCB板、CPUDie等熱量比較集中或這是導(dǎo)熱系數(shù)很小的區(qū)域。其他一些區(qū)域，比如HD、DVD、CD、電池等區(qū)域，可以使用比較粗糙的網(wǎng)格。9.6監(jiān)控點或監(jiān)控區(qū)域設(shè)置監(jiān)控點設(shè)置：在仿真分析中，需要實時監(jiān)控某些點的溫度、壓力、速度的變化，特別是關(guān)鍵器件的Tc、Tj值，比如CPU、南北橋Tc、Tj值，熱管的Thp、Thx等。一方面可以協(xié)助判斷計算是否收斂，一方面可以隨時監(jiān)控計算結(jié)果是否合理，如果發(fā)現(xiàn)不合理的溫度點，可以立刻停下來檢查模型，而不是等到計算完成后才發(fā)現(xiàn)問題，可以提高效率。監(jiān)控區(qū)域設(shè)置：在某些情況下，如果需要統(tǒng)計流經(jīng)散熱器區(qū)域的流量，或者是不同槽位的風(fēng)量，往往需要在散熱器的入風(fēng)口和各槽位入口建立壓縮的Region模型，用于統(tǒng)計我們關(guān)注區(qū)域的流量，從而判定系統(tǒng)流量分配是否合理？9.7收斂與后處理（1）收斂判定：計算完成后，如何判斷仿真結(jié)果是否收斂、可靠，可以從以下幾個方面判定：FLOTHERM軟件默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)：每個變量的殘差值達到1，所設(shè)監(jiān)控走平，可以認(rèn)為已收斂，軟件默認(rèn)的終止標(biāo)準(zhǔn)值在大多數(shù)產(chǎn)品分析中，安全余量相對可靠，不需要更改。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)，如果部分或全部變量的殘差值在10以下震蕩或穩(wěn)定，所設(shè)監(jiān)控點走平，也可以認(rèn)為計算收斂。收斂常見問題及解決：計算穩(wěn)定后，如果出現(xiàn)發(fā)散、殘差值在1