散熱設(shè)計知識課件

1、散熱設(shè)計知識威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司清華大學(xué)電子工程系集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室散熱設(shè)計知識威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司熱傳導(dǎo)三種類型(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)定義：熱量從物體中溫度較高的部分傳到溫度較低的部分或者從溫度較高的物體傳到與其接觸的溫度較低的物體。物體各部分間無宏觀相對位移;熱量在傳遞過程中無能量形式的變化。特點(diǎn)：熱傳導(dǎo)三種類型(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)計算公式：(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)Ft1t2dAl為導(dǎo)熱系數(shù)，(熱導(dǎo)率)，W/(m . oC)熱傳導(dǎo)三種類型計算公式：(1) 導(dǎo)熱(Heat Conduction)F

2、t(2) 熱對流(Convection)特點(diǎn)：流體各部分間發(fā)生宏觀相對位移；熱量在傳遞過程中無能量形式的變化；只能發(fā)生在流體中；必然拌有導(dǎo)熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)三種類型定義：在流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞。(2) 熱對流(Convection)特點(diǎn)：流體各部分間發(fā)(2) 熱對流(Convection)對流換熱：流體流過固體壁面時的熱量交換。熱傳導(dǎo)三種類型對流換熱的計算公式：twtfAl為對流換熱系數(shù)，W/(m2 . oC)(2) 熱對流(Convection)對流換熱：流體流過固體(3) 熱輻射(Thermal Radiation)輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程Rad

3、iation is a process that the energy may be transferred by electromagnetic wave.由于熱的原因而產(chǎn)生的輻射，物體將內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪?，或者物體吸收電磁波而變?yōu)閮?nèi)能。特點(diǎn)：能量可在真空中傳播;熱量在傳遞過程中發(fā)生形式上的變化。計算公式：為常數(shù)，5.669710-8W/(m2 . oC4)熱傳導(dǎo)三種類型(3) 熱輻射(Thermal Radiation)輻射：物一種常見的散熱方式 t1,h1高溫流體對流換熱t(yī)2,h2低溫流體對流換熱導(dǎo)熱一種常見的散熱方式 t1,h1高溫流體對流換熱t(yī)2,h2低溫工程傳熱問題可分為兩種類型b

4、確定溫度場a 計算傳熱量工程傳熱問題可分為兩種類型b 確定溫度場a 計算傳熱量單位時間、單位面積上的傳熱量(熱流密度)與溫度梯度成正比。傅立葉定律 Fouriers Law (1822年)傅立葉定律導(dǎo)熱的基本定律 The heat transferred per unit area and per unit time (heat flux) is proportional to the temperature gradient.J. B. BiotJ.B.J.Fourierl導(dǎo)熱系數(shù),W/(m)單位時間、單位面積上的傳熱量(熱流密度)與溫度梯度成正比。傅假設(shè)：1、連續(xù)介質(zhì)；2、各向同性；所依據(jù)

5、的定律：傅立葉定律、能量守恒定律3、均勻內(nèi)熱源，強(qiáng)度 為 (W/m3);4、密度、比熱為常數(shù)。導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）假設(shè)：1、連續(xù)介質(zhì)；2、各向同性；所依據(jù)的定律：傅立葉定律、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時：導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions） 一、直角坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時：導(dǎo)熱微分方程及定解條件 一、直角坐標(biāo)系中的如果無內(nèi)熱源：傅立葉方程如果穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源：拉普拉斯方

6、程導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）如果穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：泊松方程如果無內(nèi)熱源：傅立葉方程如果穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源：拉普拉斯方程導(dǎo)熱微第一類邊界條件：給定物體邊界上任何時刻的溫度分布。導(dǎo)熱微分方程及定解條件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）邊界條件tboundary-1tboundary-3tboundary-4tboundary-2第二類邊界條件：給定物體邊界上任何時刻的熱流密度。 第三類邊界條件：給定物體邊界與周圍

7、流體間的對流換 熱系數(shù) h 及流體的溫度tf。第一類邊界條件：給定物體邊界上任何時刻的溫度分布。導(dǎo)熱微分熱導(dǎo)率為常數(shù)k,且兩表面溫度均勻恒定的均質(zhì)平板中的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題是最簡單的傳熱問題取梯度方向?yàn)閤,將傅立葉方程分離變量并積分可得整理可得：x/kA稱作熱阻，可以看作類似電阻的物理量，并聯(lián)、串聯(lián)定理仍然成立一維導(dǎo)熱問題熱阻熱導(dǎo)率為常數(shù)k,且兩表面溫度均勻恒定的均質(zhì)平板中的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)接觸熱阻 (Contact Resistance) 定義：在兩個物體交界面上有熱量傳遞時，界面上將產(chǎn)生一定的溫度降落，引起這種溫度降落的熱阻稱為接觸熱阻。 接觸熱阻 (Contact Resistance) 定義：

8、在1、提高對流換熱系數(shù)；2、降低tf；常常是不實(shí)際的；3、增大換熱面積，常用辦法。twtfh在表面溫度tw一定時，提高傳熱量的辦法：延展表面：是在固體上凸出的、在其內(nèi)部由熱傳導(dǎo)傳遞熱量而在界面上與周圍環(huán)境之間由對流(和/或輻射)傳遞熱量的表面。延展表面的導(dǎo)熱 1、提高對流換熱系數(shù)；2、降低tf；常常是不實(shí)際的；3、增大ttwhdxQfFhHtwtfh延展表面的導(dǎo)熱 代入傅立葉方程可以得出解析表達(dá)式，算出延展表面的導(dǎo)熱量，實(shí)際設(shè)計時一般進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬計算ttwhdxQfFhHtwtfh延展表面的導(dǎo)熱 代入傅立葉考慮右圖的微體積元，根據(jù)體積元內(nèi)質(zhì)量的變化等于流入與流出質(zhì)量之差可得流體的連續(xù)性方

9、程：其中，u,v,w分別是x,y,z方向的流速，是流體密度，如果流體定常，則有對流相關(guān)流體方程考慮右圖的微體積元，根據(jù)體積元內(nèi)質(zhì)量的變化等于流入與流出質(zhì)量二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài) 動量方程對流相關(guān)流體方程能量方程其中，a=k/c，k為導(dǎo)熱系數(shù)， 是密度，c為恒壓熱容二維、常物性、不可壓、穩(wěn)態(tài) 動量方程對流相關(guān)流體方程能量速度邊界層速度邊界層定義：壁面到99%U的區(qū)域，對流相關(guān)邊界層將流場分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩個區(qū)域 在邊界層內(nèi)速度變化比較劇烈，會產(chǎn)生較大的粘性切應(yīng)力由于管壁和流體之間存在黏性，管壁附近的流體速度存在梯度速度邊界層速度邊界層定義：壁面到99%U的區(qū)域，對流相關(guān)對流相關(guān)邊界層層

10、流(laminar)：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動平穩(wěn)，彼此平行隨著流速變快，層流變成湍流湍流(turbulent)：流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動，不平穩(wěn)對流相關(guān)邊界層層流(laminar)：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動平穩(wěn)，對流相關(guān)邊界層流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示，無量綱參數(shù)一般：Re2000:層流 2000Re4000:湍流對流相關(guān)邊界層流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)對流相關(guān)邊界層貝克萊數(shù)：用P或Pe表示，是一個無量綱數(shù)值，用來表示對流與擴(kuò)散的相對比例。隨著Pe數(shù)的增大，輸運(yùn)量中擴(kuò)散輸運(yùn)的比例減少，對流輸運(yùn)的比例增大。對流相關(guān)邊界層貝克萊數(shù)：用P或Pe表示，是一個無量綱數(shù)

11、值邊界層要點(diǎn)：當(dāng)粘性流體流過固體表面時，可以將流動劃為邊界層區(qū)和 主流區(qū)。邊界層的厚度與壁面尺度相比是一個非常小量。在邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流和紊流，而紊流邊界層內(nèi)緊 靠壁面處仍有極薄的一層保持層流流動，稱為層流底層。溫度也存在邊界層。對流傳熱的計算非常復(fù)雜，一般都采用數(shù)值模擬計算，確定雷諾數(shù)和貝克萊數(shù)可以確定采用何種模型進(jìn)行計算對流相關(guān)邊界層邊界層要點(diǎn)：當(dāng)粘性流體流過固體表面時，可以將流動劃為邊界層區(qū)電子系統(tǒng)散熱方法芯片級通過設(shè)計芯片結(jié)構(gòu)使芯片熱量迅速傳遞到芯片表面封裝級設(shè)計合適的封裝結(jié)構(gòu)和固晶方式，將熱量迅速從LED芯片導(dǎo)出到散熱裝置上面 系統(tǒng)級為產(chǎn)品設(shè)計合適的散熱方式，將產(chǎn)生的熱量散到環(huán)

12、境中 電子系統(tǒng)散熱方法芯片級芯片級散熱（以LED為例）電子系統(tǒng)散熱方法普通LED器件倒裝焊LED器件芯片級散熱（以LED為例）電子系統(tǒng)散熱方法普通LED器件倒裝電子系統(tǒng)散熱方法封裝級散熱（以LED為例） 第一、封裝成本必須價格低廉；第二、良好的電和熱傳導(dǎo)；第三、熱應(yīng)力和可靠性，少熱應(yīng)力需要改進(jìn)散熱管理，使光源內(nèi)的溫度梯度達(dá)到最?。坏谒?、與紫外和可見光兼容，在紫外和可見光照射下不老化，光吸收比較少。 目前，常用技術(shù)：改進(jìn)焊料，采用高導(dǎo)熱率的焊料AuSn共晶焊采用高導(dǎo)熱率的熱沉AlN陶瓷封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計電子系統(tǒng)散熱方法封裝級散熱（以LED為例）目前，常用技術(shù)：電子系統(tǒng)散熱方法共晶是指在相對較低的溫度下

13、共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象，共晶合金直接從固態(tài)變到液態(tài)，而不經(jīng)過塑性階段。其熔化溫度稱共晶溫度。AuSn共晶焊料有廣泛的應(yīng)用 2.5 W/mK 20 W/mK 57W/mK (silver colloid) (silver colloid) (Au-Sn solder) AlN陶瓷是優(yōu)良的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱率可達(dá)300 W/mK以上 ，是LED常用的導(dǎo)熱材料；金屬Al導(dǎo)熱率可達(dá)200 W/mK左右，價格便宜，也是常用散熱材料電子系統(tǒng)散熱方法共晶是指在相對較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物電子系統(tǒng)散熱方法系統(tǒng)級散熱自然散熱，完全依靠自身的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱，成本最低，能力也最差。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱，借助強(qiáng)迫對

14、流散熱，熱量可以更迅速地擴(kuò)散。但是這種散熱方式增加了成本和電損耗，而且風(fēng)扇的壽命有限，風(fēng)扇在運(yùn)行中有一定噪音。另外，這種散熱方式用在戶外燈具上由于防水的要求使用效果會比較差。熱管散熱，與加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱相比，熱管散熱技術(shù)不需要增加額外的控制電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，外觀帶來很大的問題，增大了體積。另外，高效率的熱管成本也比較高。半導(dǎo)體制冷。半導(dǎo)體制冷具有壽命長、無噪音的優(yōu)點(diǎn)。但是成本很高，使用條件要求苛刻。使用方法不恰當(dāng)反而會增大散熱的負(fù)擔(dān)。 電子系統(tǒng)散熱方法系統(tǒng)級散熱自然散熱，完全依靠自身的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散散熱設(shè)計軟件Icepak設(shè)計不同的散熱系統(tǒng)需要進(jìn)行建模、計算，手工進(jìn)行是不現(xiàn)實(shí)的，需要

15、使用計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計一款常用的設(shè)計軟件IcepakIcepak是FLUENT公司的一款面向工程師開發(fā)的專業(yè)電子產(chǎn)品熱分析軟件。包括建模、網(wǎng)格和后處理工具，以及FLUENT求解器。首先在建模工具內(nèi)建立物理模型，然后指定網(wǎng)格約束條件，生成網(wǎng)格，使用FLUENT求解器求解FVM（有限體積模型）方程，得出溫度場、流速場的分布，再通過后處理工具可視化處理。能夠計算電子設(shè)備部件級，板級和系統(tǒng)級的問題。散熱設(shè)計軟件Icepak設(shè)計不同的散熱系統(tǒng)需要進(jìn)行建模、計Icepak應(yīng)用舉例問題描述機(jī)柜包含5個高功率的設(shè)備（密封在一個腔體內(nèi)），一塊背板plate，10 個翅片fins，三個fans, 和一個自由開孔，如圖1.1 所示。Fins 和plate 用xtruded aluminum. 每個fan質(zhì)量流量為0.01kg/s，每個ource 為33W.根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，當(dāng)環(huán)