1、散热设计知识威海北洋电气集团股份有限公司清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室热传导三种类型热量从物体中温度较高的部分传到温度较热量从物体中温度较高的部分传到温度较低的部分或者从温度较高的物体传到与其低的部分或者从温度较高的物体传到与其接触的温度较低的物体。接触的温度较低的物体。物体各部分间无宏观相对位移物体各部分间无宏观相对位移;热量在传递过程中无能量形式的变化。热量在传递过程中无能量形式的变化。21ttA计算公式：计算公式：F Ft1t2 A A 为导热系数，为导热系数，(热导率热导率)，W/(m.oC)流体各部分间发生宏观相对位移；流体各部分间发生宏观相对位移；热量在传递过程中无能
2、量形式的变化；热量在传递过程中无能量形式的变化；只能发生在流体中；只能发生在流体中；必然拌有导热现象。必然拌有导热现象。在流体中温度不同的各部分之间发生相对在流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递。位移时所引起的热量传递。对流换热对流换热：流体流过固体壁面时的热量交换。流体流过固体壁面时的热量交换。对流换热的计算公式：对流换热的计算公式：fwtthAwftthAthA twtfA 为对流换热系数为对流换热系数，W/(m2.oC)辐射辐射物体通过电磁波来传递能量的过程物体通过电磁波来传递能量的过程Radiation is a process that the energy ma
3、y be transferred by electromagnetic wave.由于热的原因而产生的辐射，物体将内能转变为电磁由于热的原因而产生的辐射，物体将内能转变为电磁波，或者物体吸收电磁波而变为内能。波，或者物体吸收电磁波而变为内能。能量可在真空中传播能量可在真空中传播;热量在传递过程中发生形式上的变化。热量在传递过程中发生形式上的变化。4AT 为常数为常数，5.6697 10-8W/(m2.oC4)t1,h1高温流体高温流体对流换热对流换热t2,h2低温流体低温流体对流换热对流换热导导热热 nnttgradtq 单位时间、单位面积上的传单位时间、单位面积上的传热量热量(热流密度热流密
4、度)与温度梯度与温度梯度成正比。成正比。傅立叶定律傅立叶定律 Fouriers Law (1822年年)傅立叶定律傅立叶定律导热的基本定律导热的基本定律 The heat transferred per unit area and per unit time(heat flux)is proportional to the temperature gradient.J.B.BiotJ.B.J.FourierJ.B.J.Fourier 导热系数导热系数,W/(m)假设假设：1 1、连续介质；、连续介质；2 2、各向同性；、各向同性；所依据的定律：所依据的定律：傅立叶定律、能量守恒定律傅立叶定律、
5、能量守恒定律单 位 时 间 导入 微 元 体 的净 热 量单 位 时 间微 元 体 内内 热 源 生成 的 热 量单 位 时 间 内微 元 体 内 能的 增 加3 3、均匀内热源，强度、均匀内热源，强度 为为 (W/m(W/m3 3););4 4、密度、比热为常数。、密度、比热为常数。导热微分方程及定解条件导热微分方程及定解条件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）ztzytyxtxtc导热系数为常数时：导热系数为常数时：cztytxtat222222导热微分方程及定解条件导热微分方程及定解条件（Conducti
6、on Differential Equation and Definition Conditions）一、直角坐标系中的导热微分方程一、直角坐标系中的导热微分方程如果无内热源：傅立叶方程如果无内热源：傅立叶方程222222ztytxtat如果稳态无内热源：拉普拉斯方程如果稳态无内热源：拉普拉斯方程0222222ztytxt导热微分方程及定解条件导热微分方程及定解条件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）如果稳态导热：泊松方程如果稳态导热：泊松方程0222222cztytxta第一类边界条件第一类边界条件：给定物体
7、边界上任何时刻的温度分布。：给定物体边界上任何时刻的温度分布。,boundaryzyxft导热微分方程及定解条件导热微分方程及定解条件（Conduction Differential Equation and Definition Conditions）边界条件边界条件tboundary-1tboundary-3tboundary-4tboundary-2第二类边界条件第二类边界条件：给定物体边界上任何时刻的热流密度。：给定物体边界上任何时刻的热流密度。,z,y,xfqfwwtthnt第三类边界条件：第三类边界条件：给定物体边界与周围流给定物体边界与周围流体间的对流换体间的对流换 热系数热系数
8、 h 及流体的温度及流体的温度tf。热导率为常数k,且两表面温度均匀恒定的均质平板中的一维稳态导热问题是最简单的传热问题取梯度方向为x,将傅立叶方程分离变量并积分可得2121TTxxdTkAdxq整理可得：热阻热势差kAxTTq/12x/kA称作热阻，可以看作类似电阻的物理量，并联、串联定理仍然成立一维导热问题一维导热问题热阻热阻接触热阻接触热阻 (Contact Resistance)定义：定义：在两个物体交界面上有热量传递时，界面上将在两个物体交界面上有热量传递时，界面上将产生一定的温度降落，引起这种温度降落的热阻称为产生一定的温度降落，引起这种温度降落的热阻称为接触热阻。接触热阻。1 1
9、、提高对流换热系数；、提高对流换热系数；2 2、降低、降低tf；常常是不实际的；常常是不实际的；3 3、增大换热面积，常用办法。、增大换热面积，常用办法。twtfh在表面温度在表面温度tw一定时，提高传热一定时，提高传热量的办法：量的办法：延展表面延展表面：是在固体上凸出的、在其内部由热传导：是在固体上凸出的、在其内部由热传导传递热量而在界面上与周围环境之间由对流传递热量而在界面上与周围环境之间由对流(和和/或或辐射辐射)传递热量的表面。传递热量的表面。延展表面的导热延展表面的导热 ttwhxQfFhHtwtfh延展表面的导热延展表面的导热 代入傅立叶方程可以得出解析表达式，算出延展表面的导热
10、量，实际设计时一般进行计算机数值模拟计算考虑右图的微体积元，根据体积元内质量的变化等于流入与流出质量之差可得流体的连续性方程：0)()()(twtvxut其中，u,v,w分别是x,y,z方向的流速，是流体密度，如果流体定常，则有对流相关对流相关流体方程流体方程0twtvxu二维、常物性、不可压、稳态二维、常物性、不可压、稳态 2222222211yvxvypyvvxvuyuxuxpyuvxuu动量方程动量方程对流相关对流相关流体方程流体方程2222ytxtaytvxtu能量方程能量方程其中，a=k/c，k为导热系数，是密度，c为恒压热容速度边界层速度边界层uyuu速度边界层定义：壁面到速度边界
11、层定义：壁面到99%U 的区域，的区域，对流相关对流相关边界层边界层将流场分为边界层内和边界层外两个区域将流场分为边界层内和边界层外两个区域 在边界层内速度变化比较剧烈，会产生较大的粘性切应力在边界层内速度变化比较剧烈，会产生较大的粘性切应力yu由于管壁和流体之间存在黏性，管壁附近的流体速度存在梯度对流相关对流相关边界层边界层层流(laminar)：流体质点运动平稳，彼此平行随着流速变快，层流变成湍流湍流(turbulent)：流体质点随机运动，不平稳对流相关对流相关边界层边界层流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示，无量纲参数：流体运动黏度流动时一般取其
12、直径：特征长度，在圆管中：流体流速vlvlFFmgRe一般：Re2000:层流 2000Re4000:湍流对流相关对流相关边界层边界层贝克莱数：用P或Pe表示，是一个无量纲数值，用来表示对流与扩散的相对比例。随着Pe数的增大，输运量中扩散输运的比例减少，对流输运的比例增大。：特征扩散系数：特征长度：特征速度llPe 边界层要点：边界层要点：当粘性流体流过固体表面时，可以将流动划为边界层区和当粘性流体流过固体表面时，可以将流动划为边界层区和 主流区。主流区。边界层的厚度与壁面尺度相比是一个非常小量。边界层的厚度与壁面尺度相比是一个非常小量。在边界层内流动状态分为层流和紊流，而紊流边界层内紧在边界
13、层内流动状态分为层流和紊流，而紊流边界层内紧 靠壁面处仍有极薄的一层保持层流流动，称为层流底层。靠壁面处仍有极薄的一层保持层流流动，称为层流底层。温度也存在边界层。温度也存在边界层。对流传热的计算非常复杂，一般都采用数值模拟计算，对流传热的计算非常复杂，一般都采用数值模拟计算，确定雷诺数和贝克莱数可以确定采用何种模型进行计算确定雷诺数和贝克莱数可以确定采用何种模型进行计算对流相关对流相关边界层边界层电子系统散热方法电子系统散热方法 芯片级芯片级通过设计芯片结构使芯片热量迅速传递到芯片表面通过设计芯片结构使芯片热量迅速传递到芯片表面 封装级封装级设计合适的封装结构和固晶方式，将热量迅速从设计合适
14、的封装结构和固晶方式，将热量迅速从LED芯片导出到散热装置上面芯片导出到散热装置上面 系统级系统级为产品设计合适的散热方式，将产生的热量散到环境中为产品设计合适的散热方式，将产生的热量散到环境中 芯片级散热（以LED为例）电子系统散热方法电子系统散热方法普通LED器件倒装焊LED器件电子系统散热方法电子系统散热方法 封装级散热（以LED为例）第一、封装成本必须价格低廉；第二、良好的电和热传导；第三、热应力和可靠性，少热应力需要改进散热管理，使光源内的温度梯度达到最小；第四、与紫外和可见光兼容，在紫外和可见光照射下不老化，光吸收比较少。目前，常用技术：改进焊料，采用高导热率的焊料AuSn共晶焊采
15、用高导热率的热沉AlN陶瓷封装结构设计电子系统散热方法电子系统散热方法共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其熔化温度称共晶温度。AuSn共晶焊料有广泛的应用 2.5 W/mK 20 W/mK 57W/mK (silver colloid)(silver colloid)(Au-Sn solder)AlN陶瓷是优良的导热材料，导热率可达300 W/mK以上，是LED常用的导热材料；金属Al导热率可达200 W/mK左右，价格便宜，也是常用散热材料电子系统散热方法电子系统散热方法 系统级散热自然散热，完全依靠自身的结构实现散热，成本
16、最低，能力也最差。加装风扇强制散热，借助强迫对流散热，热量可以更迅速地扩散。但是这种散热方式增加了成本和电损耗，而且风扇的寿命有限，风扇在运行中有一定噪音。另外，这种散热方式用在户外灯具上由于防水的要求使用效果会比较差。热管散热，与加装风扇强制散热相比，热管散热技术不需要增加额外的控制电路，增加了系统的稳定性。但是，外观带来很大的问题，增大了体积。另外，高效率的热管成本也比较高。半导体制冷。半导体制冷具有寿命长、无噪音的优点。但是成本很高，使用条件要求苛刻。使用方法不恰当反而会增大散热的负担。散热设计软件散热设计软件Icepak设计不同的散热系统需要进行建模、计算，手工进行是不现实的，需要使用
17、计算机进行辅助设计一款常用的设计软件IcepakIcepak是FLUENT公司的一款面向工程师开发的专业电子产品热分析软件。包括建模、网格和后处理工具，以及FLUENT求解器。首先在建模工具内建立物理模型，然后指定网格约束条件，生成网格，使用FLUENT求解器求解FVM（有限体积模型）方程，得出温度场、流速场的分布，再通过后处理工具可视化处理。能够计算电子设备部件级，板级和系统级的问题。Icepak应用举例应用举例问题描述问题描述机柜包含5个高功率的设备（密封在一个腔体内），一块背板plate，10 个翅片fins，三个fans,和一个自由开孔，如图1.1 所示。Fins 和plate 用xtruded aluminum.每个fan质量流量为0.01kg/s，每个ource 为33W.根据设计目标，当环境温度为20C 时设备的基座不能超过65C。建建立立箱箱体体模模型型确定热源功率、确定热源功率、风扇功率、散风扇功率、散热片材料、尺热片材料、尺寸，确定边界寸，确定边界条件条件生成网格，细分区域准备求解系统计算出雷诺数和贝克莱数分别是128974和9792，要采用强迫对流的湍流模型进行模拟计算迭代计算的残差收敛情况空气流速分布图空气流速分布图散热翅片间温度分布图散热翅片间温度分布图背板温度分布图背板温度分布图
