电子设备热设计第三讲

电子设备热设计第三讲
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
▪ 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
▪ 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
▪ 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
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肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
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❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
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❖不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
Tj=63.7C Tj=67.1C
Tj=70.8C Copper 1.5”x1.5”x1.6”
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优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
§The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
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§通常Rja随着下列因素提高而降低：
§带肋片壁面换热热阻为
§包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的 导热热阻，后者反映在表面效率上。
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m值的意义
§肋片材料和流体物性的函数 § 为横截面周长， 为横截面面积
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肋片散热器(heat sinks)的优化
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肋片参数的优化
§随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程
度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。
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Heat Sink Resistance 散热器的热阻
Q = h . A . (Tw - Tf)
•增强传热的方式
–增加传热面积 –增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
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最简单的形式
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肋片散热器(heat sinks)的性能
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肋片效率
§肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材
料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等 于肋根温度）下散热量 之比
§流体流过肋片散热器时热阻为
§仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
片根部基壁表面对传热的影响。
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肋片表面效率
§有效传热面积与总传热面积之比
§Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
§输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
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肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
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§To select a heat sink for a given
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▪ 强迫冷却散热器的设计注意事项
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
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剖面 型线
剖面 最佳
面积 系数
关系
表面 效率
最佳 条件 剖面 面积
最佳 肋根 厚
最佳 肋高
1 1.419 0.627 0.50 0.632 0.798

0.5 1.309 0.594 0.347 0.828 0.842
0.33 1.414 0.502 0.333 1.0 1.0
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肋片散热器的材料
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Thermal Properties of Heat Sink Materials 散热器材料热特性
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肋片散热器底座与翅片材料需求
§散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热 量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与 空是量气与传▪进C导首CP行的PU先U热终接是释交点触散放换，并热的。最聚器热在终集底量这将热座，个热量在即过量的短瞬程散地时间中失方间吸，到，内热散空而能能热气翅尽力片中片可，的。则能只底所是多有座以热的具，吸备收高热 散热器传的导底系座数和的翅金片属是才最能值胜得任重。视其的次两是个散部热分器。本体应当 具备▪ 目足前够最的常储用热的能散力热，片即材较料大是的铜热和容铝量合，金通。常而承铝担合金 这个容任易务加的工是，翅成片本。低对，于所金以属也导是热应材用料最而多言的，材比料热。相 和热比传▪之导采下系用，数铜铜是铝的两结瞬个合间重制吸要造热的，能参采力数用比。铜铝金合属金底好座，或但铜散柱热芯的，而 速度散就热较翅铝片合采金用要铝慢合。金。凭借较高的导热系数，铜制 底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以 借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并 提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到 了的一个均衡点。
0.5”x0.6”x0.5”
1.5”x0.6”x0.5”
▪ fin的长度加倍，散热能力为1.4倍
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Tj=64.0C
Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”
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Tj=64.0C Tj=68.1C
Tj=73.5C Aluminum
1.5”x1.5”x1.6”
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▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
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▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
▪ 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
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Stamping Heat Sinks:冲压散热器
are made of copper or aluminum sheet metal 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状
low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度 的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因 此可进一步降低成本。
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肋片散热器底座与翅片材料需求
▪ 同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的 比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可 以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一 块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温 度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜 更适合做成散热器的底面。
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
▪ 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大 于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫 风冷。