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硬件知识|Thermal-热设计

2020-11-16  亿文电子...

导语:电子产品中的器件将电能转化为热能,使温度上升。虽然造成电子产品故障的原因很多,但高温是其中最主要的因素(其它依次为振动、潮湿、灰尘等)。温度对电子产品可靠性的影响高达60%,温度降低,产品的可靠性及寿命就会增加,一个粗略的估算是温度每上升10℃,寿命降低一半。必须加快散热速度,有效地控制产品的工作温度,使其不超过极限范围,并留足够的余量,以提高产品的可靠性并延长寿命。

在我们产品设计过程中时时刻刻都要注意温度的影响,比如选择电阻额定功率、电感额定电流、三极管的集电极耗散功率等等,归根结底都是为了控制温度对器件的影响。对实际工作温度难以准确把握的,我们常常还要通过温度测量来保证设计的可靠性。

一、热设计基础知识

1.热量传递的三种方式

热量的传递有导热,对流换热及辐射换热三种方式。在终端设备散热过程中,这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算:

Fourier导热公式:Q=λA(Th-Tc )/δ

Newton对流换热公式:Q=αA(Tw-Tair)

辐射4次方定律:Q=εσA(Th^4-Tc^4)

其中λ、α、ε分别为导热系数,对流换热系数及表面的发射率,σ为波尔兹曼常数,A是换热面积。

·导热

物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观例子的热运动而产生的热量传递称为导热。

导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算:Q=λA(Th-Tc)/δ

其中: A 为与热量传递方向垂直的面积,单位为m2;Th 与Tc 分别为高温与低温面的温度,δ为两个面之间的距离,单位为m。λ为材料的导热系数,单位为W/(m*℃),表示了该材料导热能力的大小。

一般说,固体的导热系数大于液体,液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m*℃),纯铝的导热系数为236W/(m*℃),水的导热系数为0.6W/(m*℃),而空气仅0.025W/(m*℃)左右。铝的导热系数高且密度低,所以散热器基本都采用铝合金加工,但在一些大功率芯片散热中,为了提升散热性能,常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

·对流换热

对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程。根据流动的起因不同,对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的,而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场,由此产生的浮升力成为运动的动力。

自然对流散热分为大空间自然对流(例如设备外壳和外界空气间的换热)和有限空间自然对流(例如设备内的单板和终端内的空气)

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对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算:Q=hA(Tw-Tair)

其中:A 为与热量传递方向垂直的面积,单位为m2;Th 与Tc分别为固体壁面与流体的温度,h是对流换热系数,自然对流时换热系数在1~10W/(℃*m2)量级,实际应用时一般不会超过3~5W/(℃*m2);强制对流时换热系数在10~100W/(℃*m2)量级,实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2)。

·辐射换热

辐射是通过电磁波来传递能量的过程,热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程,在热辐射的同时也会不断吸收其它物体辐射出的电磁波,辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射换热。物体的辐射力计算公式为:E= εσT^4

其中,ε为物体表面黑度(发射率),σ为波尔兹曼常数,T为绝对温度。由于辐射力与温度的四次方成正比,在温度较高时辐射换热的影响不能忽略,温度较低时辐射换热在三种传热方式中所占比例较小。

电磁波辐射到物体表面,和可见光一样也能发生反射、吸收和透射现象。固体由于分子排列紧密,一般无透射,且吸收和反射都在表面进行,发射率越大的物体吸收率也会越高。

对辐射换热一个错误认识是认为黑色可以强化热辐射,比如散热片涂成黑色的。实际上物体温度低于1800℃时,有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间,且大部分能量位于红外波段0.76~20μm范围内,在可见光波段内,热辐射能量比重并不大。颜色只与可见光的辐射和吸收相关,与红外辐射无关,随着温度的增加,辐射波长变短,太阳的辐射能量主要集中在可见光波段,夏天人们穿浅色的衣服降低太阳光中的可见光辐射吸收。所以对射线的吸收和反射有重大影响的是物体的表面状况,而不是它的颜色。

2.热阻的概念

对导热和对流换热的公式进行变换:

Fourier导热公式:

Q=λA(Th-Tc)/δ

Q=(Th-Tc)/[δ/(λA)]

Newton对流换热公式:

Q=αA(Tw-Tair)

Q=(Tw-Tair)/(1/αA)

将上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力,称为热阻(thermalresistance),单位为℃/W,其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻,1/αA是对流换热热阻。

两个名义上相接触的固体表面,实际上接触仅发生在一些离散的面积元上,如右图所示,在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气,热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层,与理想中真正完全接触相比,这种附加的热传递阻力称为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料(如硅脂)填充界面间的空气。在涉及热传导时,一定不能忽视接触热阻的影响,需要根据应用情况选择合适的导热界面材料,如导热脂、导热膜、导热垫等。

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二、器件散热

1.器件热阻的概念

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θja热阻参数是封装的品质度量(FigureofMerit),并非Application-specific,θja的正确的应用只能是芯片封装的热性能品质参数(用于性能好坏等级的比较),不能应用于实际测试/分析中的结温预计分析。

从90年代起,相对于θja人们更需要对实际工程师预计芯片温度有价值的热参数。适应此要求而出现三个新参数:θjb、ψjt和ψjc。

ψjb可适当的运用于热分析中的结温分析。

ψjt可适当运用于实际产品热测试中的结温预计。

较多的元器件会给出θja和θjc的值,θjc是结到封装表面离结最近点的热阻值。较常用于实际计算。

2.单板器件的散热路径

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3.器件结温的计算

热设计的最终目的是确保电子设备中器件的最大工作结温低于其最大允许的结温Tjmax。最大工作结温是指系统处于散热最恶劣的配置、运行于允许的最高环境温度时的结温。

在实际使用中,我们通常测量的是器件的壳温,壳温和结温的转换关系为:Tj= Tc + P ·θjc

其中 Tj为结温,Tc为壳温,P为通过器件表面散掉的热耗,θjc为结壳热阻。

三、系统散热

1.散热方式

选择冷却方法时,主要考虑下列因素:设备的热流密度、体积功率密度及温升等。一般地说,热流密度小于0.08W/cm2,采用自然冷却方式;热流密度大于0.08W/cm2或体积功率密度大于0.18W/cm3,采用强迫风冷的方式。具体的系统需要具体对待。

上述方法的条件是假设热量均匀分布在整个空间里,且热量能够充分地传导到设备表面,是理想化模型,实际应用中需根据系统温度比较薄弱的环节来选择散热方式,通常在设计阶段会进行一些验证来确保方案的可行性,在测试时发现温度过高还需要对散热方案进行调整。

自然冷却时,设备内部的主要传热方式是热传导,应尽量减小发热器件到机壳的热阻值,比如在主芯片下面与壳体之间加导热硅胶垫。采用隔热板时,尽量选择黑度较低,表面光洁度较高的材料。

强迫风冷时,设备的散热主要是依靠对流换热,需要增加风机,在电子设备散热设计中用到的风机可以分为三类:轴流式风机、离心式风机和混流式风机,通讯设备一般用轴流式风机,这种风机的进风口与出风口平行,风量大、风压小、噪音小、种类多、价格便宜。

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实际选择时交换机主要是考虑开关电源板和主芯片的温度,有条件的情况下可在设计时先进行验证。

2、风道设计

风道设计是热设计中的重要工作,以交换机为例,风道由外壳、单板(元器件)、模块、进/出风口,隔热板、挡风板等组成,依靠结构设计来实现;

根据散热方式的不同,风道可以分为自然散热风道和强迫散热风道。

通过风道设计,要达到的目标是:降低系统的压力损失,保证有足够的空气流量通过发热源;并保证流过关键热源的风速;防止风道中产生空气回流;防止空气短路;防止系统中发热部件的相互影响等;

四、辅助散热元件

1、散热器

常用的散热器有散热片、热管散热器、蒸汽腔散热器。

散热片的作用是增大发热器件与空气的接触面积,减小器件与空气之间的热阻值。

热管的作用是将热量从温度较高的地方(热端)高效率的搬移到冷端,辅助散热。

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蒸汽腔散热器是在单个器件功耗大、散热器可用高度严重受限,相应的给散热器的设计与应用带来极大的挑战的情况下产生的一种高效散热器。Intel、AMD等CPU厂商推出的性能优化双核、四核等服务器CPU功耗都已达到120W甚至更高的水平;对散热的要求也更高了。

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2.导热介质

散热器与器件之间存在间隙导致散热器的效果大打折扣,在散热器与功率器件之间填充导热介质可很大程度改善散热效果。

常用的导热介质有金属类的,比如Sn/Pb焊料、导热硅脂类、导热硅胶垫、相变导热材料、导热胶水、散热膏等等。

五、热测试方法和原则

1、测试目的

温度测试的目的是对热设计的效果进行检验,对冷却系统的适用性和有效性进行评价,对温度敏感元器件、集中发热元器件、整机系统的热特性参数进行测量,为热设计提供技术数据。

温度是影响电子设备工作可靠性的重要条件。实践表明,电子元器件的失效率随温度的增加呈指数型增加,温度每升高10℃,寿命约降低一倍。因此,应通过对设备中的关键部位进行温度测量,了解元器件或设备热应力情况。

2、测试方案

在进行系统热测试前,制定完备的热测试方案可减少测试的重复次数。一个好的测试方案,应该能使他人根据测试的结果,分析出系统热设计方案的优劣及热设计中存在的问题。

测试方案的制定需要注意以下几个方面:

测试环境:系统的热特性是与周围环境密切相关的,测试时系统配置应与实际使用时散热最恶劣的配置一致,甚至更恶劣。

测试数据的记录,应在温度稳定之后进行。

可能需要测量温度的位置:

·系统的进、出风口温度。

·系统中可能存在的最高空气温度(一般靠近发热量大的器件或风速小、有回流的地方)。

·热耗较大的分立器件、集成电路的表面温度。

·热敏感器件的温度(比如电解电容,其寿命通常为整个电路板寿命的瓶颈,受温度影响又很明显,一般需要通过温度测量对其寿命进行估算。)

·如果系统中存在局部热流密度集中的区域,需测试该处PCB的温度。对成型的电路模块(比如开关电源板),也需要进行温度的测试判断在我们的系统中运行环境是否满足其要求。

3、传感器的安装

测试器件表面温度时传感器的安装位置应尽量选取靠近结的地方。

通常选择最靠近发热部位的表面进行测量。对于圆柱形器件,如电解电容,通常测量顶部;对于半导体器件,主要根据器件资料上所提供的热阻值来确定测量位置,如果没有提供任何热阻,就按照字母顺序进行:

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六、单板布局原则

1、器件布局基本原则

·发热器件应尽可能分散布置,使得单板表面热耗均匀,有利于散热。

·不要使热敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置,使得热敏感器件远离高温发热器件,常见的热敏感的器件包括晶振、内存、电解电容、CPU等。

·条件允许情况下把热敏感元器件安排在较冷区域。

2、强制风冷系统布局原则

·根据风道情况,流速大的位置有利于散热。

·散热片或一些截面积较大的器件会阻碍空气流通,产生绕流,要注意散热片的方向,多个带散热片的器件并排放置且较紧密时注意位置错开,空气流通方向确定的情况下,高大器件的后面避免放置发热量较大的器件等。

·注意风阻均匀化,避免沿风道方向有较大的空域。

·出风口位置比进风口位置温度要高,布局时需要考虑风扇安装位置。

3、散热过孔及散热铜皮的运用

把器件的热量传递到PCB内部,减少器件向PCB的传热热阻,可采取的强化散热措施是:

·在单板上打过孔。

·在单板表面铺铜皮 。

散热过孔主要作用是增强层与层之间的热连接以及增加法向上的导热能力。位于焊盘下面的散热过孔起到的作用尤为关键。

增加过孔的数量可以降低器件与PCB的热阻,但是过孔达到一定量后再增加过孔数量效果就不会很明显,另外过孔设计也受到PCB工艺的限制。

有测试和分析研究表明散热最好的过孔方案为孔径10~12mil,孔中心间距30~40mil,也可以根据器件功耗水平和温度控制要求对过孔进行设计。

散热铜皮的作用是把局部传入PCB的热量扩展到更大的范围内,散热铜皮对底部有散热焊盘的器件作用较大。

散热铜皮和散热焊盘可以结合使用来提高散热效果。

总结

散热设计的最终目标是保证产品中每个电子元器件都工作在其允许的温度范围内,对于寿命受温度影响较明显的器件还需考虑其估算寿命满足设计要求,主要考虑电解电容。

无论是对器件增加辅助散热措施、单板布局还是系统散热方案的制定,都需要在对系统中温度分布情况很了解的情况下才能进行散热设计和验证,比如对发热严重器件、温度敏感器件、发热集中区域要非常清楚。

在电路设计时要养成良好的习惯,考虑好器件的额定功率、额定电流等是否满足降额要求,如果没有把握可模拟出器件的工作环境,对温度进行实测。集成电路按照其Layout要求进行PCB设计。

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