電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)
Heat-dissipating Design of Electronic Products

摘 要: 隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜性提高，產(chǎn)品的發(fā)熱也隨之上升。對(duì)于現(xiàn)在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言散熱已經(jīng)成為一個(gè)挑戰(zhàn)，這是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都必須面對(duì)的問題。本文就熱設(shè)計(jì)做以介紹。
關(guān)鍵詞: 熱設(shè)計(jì)、風(fēng)扇、噪音、溫度測(cè)量
中圖分類號(hào): TN306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 1003-0107(2004)11-0046-03
Abstract: With the Electronic product power increase, the product surface temperature also increase. It have became a challenge for the designer, all of them must face it. This subject will introduce the thermal design.
Key words: Thermal design, FAN, acoustic, temperature measure
CLC number: TN306 Document code: B Article ID: 1003-0107(2004)11-0046-03

引言
     隨著電子產(chǎn)品的發(fā)熱量越來(lái)越大，對(duì)于散熱就有了更大的挑戰(zhàn)。我們也從不需要散熱解決方案，到需要被動(dòng)散熱解決方案，直至到現(xiàn)在的主動(dòng)散熱解決方案。但是就便如此我們?cè)谑褂弥鲃?dòng)散熱的時(shí)候還是存在著很多的困難，所以的這些都需要我們對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行更深入的研究，從而解決我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中面臨的應(yīng)用問題。下面就和大家一起討論熱設(shè)計(jì)。
    春夏秋冬，我們生活的這個(gè)世界就是一個(gè)溫度交替變化的世界，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，我們需要改變我們的衣服來(lái)保持體溫在某個(gè)范圍。但是電子產(chǎn)品則不通，他們只能被動(dòng)適應(yīng)環(huán)境溫度。但是電子產(chǎn)品又必須能夠適應(yīng)某個(gè)溫度范圍，為此我們就需要來(lái)為一些溫度過(guò)高的芯片或者溫度過(guò)高的表面來(lái)散熱。
一. 熱設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則
熱設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則有如下一些：
A.在布局設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)元件之間和元件與芯片之間，應(yīng)盡可能保留空間以利于通風(fēng)和散熱。
溫度規(guī)格低的元件勿靠近溫度規(guī)格高的元件。
B.預(yù)估有散熱問題的ICs和元件，應(yīng)保留足夠的放置改善方案的空間。例如:ICs 的周圍不要有比其高的零件，以利于將來(lái)放置金屬散熱片來(lái)散熱。
C.發(fā)熱量大的元件（如CPU）和散熱模組，應(yīng)盡量靠近PCB的邊緣，以降低熱阻。
D . 散熱模組和C P U 之間的介質(zhì)（TIM: thermal interface material）對(duì)模組效率有很大的影響，應(yīng)選擇熱阻低的材料，甚至采用相變材料。
E.散熱模組和散熱元件的接觸壓力，在規(guī)格容許之下應(yīng)盡可能大，并確認(rèn)兩接觸面接合完整，平整和均勻。
F.散熱模組中的本體部分不宜過(guò)小，并盡量加大和熱管接觸的面積，以利發(fā)熱芯片的熱可以傳導(dǎo)至散熱模組。
G.散熱模組中作為熱交換的鰭片，往和風(fēng)流動(dòng)垂直的方向加大，比往平行的方向上加大有效。
H. H/P 在壓扁和彎曲的使用上，有其限制應(yīng)留意。
I.整體之流道設(shè)計(jì)，應(yīng)避免產(chǎn)生回流之現(xiàn)象，以減低風(fēng)阻和噪音。
J.模組的出口和系統(tǒng)的出風(fēng)口之間的空隙，應(yīng)制作封閉的流道，以免熱風(fēng)倒流回系統(tǒng)中。
K.散熱通風(fēng)設(shè)計(jì)大的開孔率，以大的長(zhǎng)條孔替代小圓孔或綱目，以降低風(fēng)阻和噪音。
L.風(fēng)扇的入風(fēng)孔形狀和大小，以及舌部和漸開線之設(shè)計(jì)，應(yīng)特別留意。
風(fēng)扇入風(fēng)孔外應(yīng)保留3~5mm 之內(nèi)皆無(wú)阻礙。
二. 熱設(shè)計(jì)解決措施
1、熱設(shè)計(jì)基本知識(shí)散熱的解決方案：
A、被動(dòng)散熱
如果使用被動(dòng)散熱，那么散熱片應(yīng)該足夠大以利于散熱。
散熱片的溫差應(yīng)該盡可能小，否則對(duì)散熱性能有很大影響
B、主動(dòng)散熱
空氣的進(jìn)氣道和出氣道一定要明確定義，如果必要可以用物體來(lái)進(jìn)行隔離。
空氣所通過(guò)散熱部位的長(zhǎng)度要盡量短，以保證空氣的氣壓和流速不會(huì)降低太多。
盡量降低風(fēng)扇的噪音。
設(shè)計(jì)時(shí)必須能夠?qū)С霾糠謴纳崞魍ㄟ^(guò)的熱空氣。
C、綜合散熱
散熱器進(jìn)行熱交換散熱設(shè)計(jì)的主要因素：
散熱器、熱管、風(fēng)扇、散熱界面材料、各組件間的組合I C a n d C o m p o n e n t

2、風(fēng)扇的選擇：
風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)：
轉(zhuǎn)子:由磁鐵、扇葉及軸組成定子:有硅鋼片、線圈及軸承組成控制電路:由IC 感應(yīng)磁鐵N.S.極經(jīng)由電路控制其線圈導(dǎo)通而產(chǎn)生內(nèi)部激磁使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
原理:
類型:軸流風(fēng)扇、直流風(fēng)扇選擇:
總體散熱需求
Q=Cp*m* Δ T = ρ *Cp*CFM* Δ T
系統(tǒng)總體阻力和系統(tǒng)特性曲線系統(tǒng)的工作點(diǎn)
并聯(lián)風(fēng)扇和串聯(lián)風(fēng)扇:
并聯(lián)風(fēng)扇: 并聯(lián)的雙風(fēng)扇風(fēng)壓不變，但是風(fēng)量會(huì)上升。風(fēng)量加大故散熱效果增加，在設(shè)計(jì)中如果出現(xiàn)散熱功率太小則可以考慮增加風(fēng)扇來(lái)解決。
串聯(lián)風(fēng)扇:串聯(lián)風(fēng)扇的結(jié)果是風(fēng)壓增加，但是風(fēng)量不變。次方式是不能解決散熱問題，一般是用在近風(fēng)的阻力太大是采用，保證風(fēng)量。

噪音等級(jí)
為了獲得低噪音必須注意以下幾點(diǎn):
系統(tǒng)阻抗:空氣流動(dòng)阻力會(huì)引起空氣的流動(dòng)噪音產(chǎn)生。
氣流的紊流:由于流道的設(shè)計(jì)不良造成空氣的紊流會(huì)有高頻噪音出現(xiàn)，如果流道不改善很難有質(zhì)的提高。
風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和尺寸:風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快散熱效果越好，風(fēng)扇的尺寸越大風(fēng)量越大，散熱效果越好。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高噪音越大，尺寸越大噪音越大。
溫度的上升: 溫度上升后溫差降低，則散熱效果降低。
振動(dòng): 振動(dòng)會(huì)造成風(fēng)扇的噪音上升，壽命降低以及轉(zhuǎn)速降低。
電壓波動(dòng):電壓波動(dòng)會(huì)造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化，使工作不穩(wěn)定并且會(huì)產(chǎn)生額外的噪音。設(shè)計(jì)考慮:設(shè)計(jì)上的其它一些要求同樣也必須考慮進(jìn)去，以保證散熱效果。
風(fēng)扇：
1、風(fēng)扇入風(fēng)的距離：3～5mm的距離是必須的
3mm ——風(fēng)扇的效能為80%
4mm ——風(fēng)扇的效能為90%
5mm ——風(fēng)扇的效能為100%
2、不同的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口會(huì)引起氣流阻力的很大變化，當(dāng)然出入口的開口越大越好。
3、不要在風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口附近放置阻隔物體（例如芯片和接口等），否則會(huì)減少風(fēng)扇的空氣流量。
4、最好使用橡膠來(lái)固定風(fēng)扇，而不是金屬螺絲，這樣可以避免振動(dòng)。
5、風(fēng)扇的空間設(shè)計(jì)
為了風(fēng)扇的效率、噪音，必須保證扇葉和風(fēng)扇外殼的距離為5～10mm。
W 的距離在可能的情況下越大越好，以保證足夠的效率。
風(fēng)扇的扇葉必須靠近Tongue 以獲得比較好的效率。
三.熱設(shè)計(jì)
制作電子電路時(shí)，熱量是影響所有類型元器件的一個(gè)重要因素。為了避免過(guò)熱引起的元器件損壞，必須對(duì)熱量設(shè)計(jì)多加注意。商用半導(dǎo)體器件的結(jié)溫極限約為150oC。工作期間結(jié)溫越低，器件的可靠性就越高。可以通過(guò)使用散熱片、熱管和散熱風(fēng)扇并在外殼上提供通風(fēng)孔來(lái)保持器件工作在較低的結(jié)溫。同樣的方法也適用于電容、變壓器、線圈、電阻、繼電器和其它元器件。
設(shè)備工作時(shí)的環(huán)境溫度對(duì)元器件的熱應(yīng)力有直接影響。環(huán)境溫度較高時(shí)，情況會(huì)惡化，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到元器件最終使用時(shí)的環(huán)境溫度，實(shí)踐證明溫度會(huì)加速大多數(shù)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生故障，大多數(shù)故障產(chǎn)生機(jī)制都與溫度有關(guān)，例如溫度上升10 度則壽命會(huì)減少一半，鑒于此我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)需特別注意器件最后實(shí)際工作溫度。某些器件過(guò)熱的共同原因是EOS和ESD。過(guò)熱必然導(dǎo)致器件的損壞，如燒焦、熔化、塑料封裝物的碳化等，為了避免這種損壞，器件必須在SOA內(nèi)工作，并在設(shè)計(jì)上保證有足夠的防止ESD、EMI和過(guò)熱的保護(hù)措施。
在產(chǎn)品開發(fā)周期的初始設(shè)計(jì)階段就應(yīng)重視熱量問題，此時(shí)控制熱量的成本最低。元器件的選擇應(yīng)能滿足應(yīng)用要求和工作溫度條件;采用篩選測(cè)試結(jié)果在耐熱方面具有良好特性的元器件; 對(duì)元器件參數(shù)進(jìn)行足夠的減載運(yùn)行;使得元器件不會(huì)在技術(shù)參數(shù)的極限值附近被損壞;確保用戶即使在最差的環(huán)境條件下，器件的結(jié)溫也不會(huì)超出極限值;必要時(shí)提供足夠的散熱裝置以保持器件溫度較低，并應(yīng)在散熱裝置和發(fā)熱器件周圍保持通風(fēng);在必須連續(xù)工作的大功率設(shè)備中采用強(qiáng)制風(fēng)冷;將半導(dǎo)體器件的結(jié)溫限制在125℃左右;熱量設(shè)計(jì)的目的是以最小的代價(jià)獲取最佳的制冷效果。
通常采用如下幾種方法避免過(guò)熱問題：
1. 熱敏感元器件（如半導(dǎo)體器件等）遠(yuǎn)離熱源（大功率電阻、大功率晶體管等）。
2.保證良好的通風(fēng)散熱，如安裝性能良好的散熱片，設(shè)置通風(fēng)孔，必要時(shí)采用強(qiáng)制風(fēng)冷，確保器件在其SOA范圍內(nèi)工作，器件結(jié)溫在極限范圍之內(nèi)等。
3.對(duì)器件熱性能指標(biāo)減載運(yùn)行，
通常80% 的減載對(duì)降低結(jié)溫和減少功耗較好。
4.用軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行熱量仿真等。
四. 實(shí)際范例：
下面來(lái)以一實(shí)際設(shè)計(jì)中一個(gè)散熱模組在進(jìn)行初期設(shè)計(jì)計(jì)算。芯片的發(fā)熱最大值為25W，芯片上方的散熱片熱阻為1.0℃/W，芯片的核心極限溫度為105℃，熱管的熱阻為0.14℃/W，散熱歧片的熱阻為1.1℃/W。確定空氣的進(jìn)氣與出氣的溫度差為應(yīng)該為多少合適？
由以上可知：
P=25W℃
Tj=105℃
Θ pipe=0.14
Θ pad =1.0
Θ fin =1.1
Tsys = ?
Θ j = (Tj-35-Tsys) / PT
sys = P* Θ +35-TjΘ = Θ pipe + Θ pad + Θ fin= 0.14 + 1.0 + 1.1= 2.24
Tsys = 105 - 25 * 2.24 - 35= 14
經(jīng)過(guò)計(jì)算得出空氣的進(jìn)氣與出氣溫度差必須在14℃以內(nèi)，否則熱量將面臨散不出去的情況。對(duì)次則要重點(diǎn)考慮風(fēng)扇的風(fēng)量，在可能的情況下加大風(fēng)量來(lái)盡量降低溫度差。

五、熱設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)：
溫升測(cè)試對(duì)于熱設(shè)計(jì)我們必須在后續(xù)的工作中來(lái)實(shí)際驗(yàn)證，以確定各芯片的工作溫度都在正常范圍以內(nèi)。
一般都是選取發(fā)熱量比較大的芯片和元器件來(lái)測(cè)試它的最大負(fù)荷的工作溫度，也就是看長(zhǎng)時(shí)間滿載時(shí)的工作溫度狀況。在測(cè)試前由設(shè)計(jì)人員確定發(fā)熱量大的芯片和元器件，另外對(duì)于芯片的最高溫度點(diǎn)同樣要求提供（最高溫度點(diǎn)
可以用紅外線熱成相儀來(lái)確定，如下圖所示為一紅外線熱成相圖）。
溫度測(cè)量使用熱偶線，線長(zhǎng)一般是選2米左右，把線頭的連接點(diǎn)放置于所要測(cè)量點(diǎn)的位置，并用膠帶固定（膠帶必須是耐高溫且高黏性的，以確保高溫不脫離和溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。）;線材注意不能折，否則會(huì)影響測(cè)試精度;

結(jié)束語(yǔ)
一個(gè)成熟的熱設(shè)計(jì)可以為我們帶來(lái)一個(gè)可靠的產(chǎn)品，同時(shí)也為我們的使用創(chuàng)造舒適性。希望本文可以給大家的設(shè)計(jì)提供一些建議。
參考文獻(xiàn)
[1]. 《傳熱學(xué)》 美 J.P. 霍爾曼
[2]. 《溫度測(cè)量》 英 T.J. 奎恩

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