跳转至

0311 散热基础

热传递的方式

热传导、热对流和热辐射是三种常见的传热方式。

热传导

热传导是物体内部热量传递的方式，热传导的计算公式为：

\[ \dot{Q}=R\Delta T \]

其中，\(\dot{Q}\) 表示热传导速率，单位为W，\(R\) 表示热阻，单位为℃/W，\(\Delta T\) 表示温度温度差，单位为℃。

热对流

热对流是通过流体（气体或液体）的对流传热方式，热对流的计算公式为：

\[ \dot{Q}=hA\Delta T \]

其中，\(\dot{Q}\) 表示热对流速率，\(h\) 表示对流传热系数，\(A\) 表示传热面积，\(\Delta T\) 表示温度差。

  • 空气自然对流换热系数大致5~10 W/(m²·K)。
  • 强制对流的换热系数：一般来说，在流体速度低于 2 米/秒时，强制对流的换热系数范围为 50-500 W/(m²·K)。而在高速流动情况下，也有可能达到上千甚至上万的换热系数。需要根据具体情况进行计算和分析。

热辐射

热辐射计算公式

\[\dot{Q}=\varepsilon\sigma T^{4}A\]

其中，\(\dot{Q}\) 表示热辐射速率，\(\varepsilon\) 表示表面的辐射系数，\(A\) 表示表面积，\(\sigma\) 表示斯特藩-玻尔兹曼常数，它的值约为\(5.67×10^{-8}\) W/(m^2*K^4)，\(T_s\)表示表面温度，\(T_\infty\) 表示环境温度。

  • 自然散热需考虑，可能有20%~30%的热量通过辐射散走
  • 强制风冷换热系数10^3~10^W/m^2K，可以不考虑辐射
  • 空间环境，没有热对流，热辐射非常重要

仿真软件中的辐射基于以下假设

  • 灰体
    • 辐射系数0~1
    • 辐射系数等于吸收系数
  • 流体对热辐射不产生影响

Flotherm中激活辐射

  • Model Setup
  • Surface Setting
  • Area Setting

![[Pasted image 20230306141154.png]]

![[Pasted image 20230306142031.png]]

![[Pasted image 20230306142233.png]]

对象可以是 cuboids, prisms, tets, inverted tets, or Heat Sink, PCB, Enclosure, Blocks With Holes, Cylinders, and Sloping Block SmartParts

Note

collapsed 或 2D cuboids 无法考虑热辐射。

  • “Single Radiating”：为表面创建单个像素。为模型的小部件或该部件表面的低温度梯度定义“单辐射”。

  • “Subdivided radiating”：根据您的标准在表面上创建多个像素。为大表面或该零件表面温度梯度高时定义“Subdivided radiating”。

热阻

热阻定义可以表述为以下公式：

\[ R= \Delta T / P \]

\(\Delta T\) 可以是我们关心的任意两点间的温差，单位为℃，\(P\) 为热功率，单位为W。所以热阻的单位为℃/W。

  • 热阻\(R_{ja}\): 从芯片结到空气的热阻，对热设计无用。
  • 热阻\(R_{ja}\): 从芯片结到PCB板的热阻，假设所有热量从PCB板散走，用于热设计和仿真。
  • 热阻\(R_{jc}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻，假设所有热量从PCB板散走，用于热设计和仿真。
  • 热阻\(\Psi_{jc}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻，多种散热途径，通常比R值小，用于热测试。
  • 热阻\(\Psi_{jb}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻，多种散热途径，通常比R值小，用于热测试。

添加一张截图

对于不同的封装，从结顶部和底部的热阻不同，热设计时尤为注意使用合适的散热面。

一维热传导

在电子行业中，通常需要将发热器件贴合到散热器上，通过散热器将热量扩散到空气中，以保持设备的正常运行温度。一维热传导经常被用来描述半导体器件和PCB等元器件之间的热能交换过程。

\[ \Delta T = \frac{\dot{Q}L}{kA} \]

其中，\(k\)是材料的导热率，\(A\)是面积，\(\Delta T\) 是温差，\(L\) 是热量传递的距离。通过该公式可以计算一个长方体块两个面的温差。

同样地，可以计算这个长方体块的热阻：

\[ R = \frac{L}{kA} \]

界面材料TIM

由于两方面的原因：

  • 填充微观间隙
  • 填充装配公差

电池包，电源模块也常使用导热胶填充，灌胶。

因此有多种界面材料供选择。需要综合考虑多种因素：

  • 导热率：ISO22007-2
  • 硬度：ASTM D2240 不同压缩率下的应力
  • 贴附特性：在高温和震动条件下保持紧密接触。
  • 化学稳定性：环境中可能存在的化学品，如油、溶剂、水等，可能会影响某些界面材料的性能。
  • 挤出率：ASTM D2196
  • 击穿电压：ASTM D149
  • 成本
  • 渗油

建模的详细程度

  • 块。具有材料属性和热耗的长方体。能够得到器件表面温度，评估整机散热能力。
  • 双热阻模型。定义了热阻\(R_{jb}\)和热阻\(R_{jc}\)，能够得到结温。
  • DELPHI 模型。与双热阻模型相比，具有更多的热阻结构，通常由厂家提供，可能会比双热阻模型得到的结温更准确。
  • 器件的详细模型。通过定义芯片内部不同块，热耗，材料等属性，通常由厂家提供，得到更精确的结果。适用于热密度很高的芯片。

自然散热

流体运动是由自然因素浮力(buoyancy)来驱动的。翅片周围的空气被加热，导致密度降低，由于密度差，产生了浮力，引起空气运动。

最廉价可靠的散热方式，但有时候不十分有效。

热对流的计算公式为：

\[ \dot{Q}=hA\Delta T \]

自然对流的换热系数\(h\)大概为5~10，这个我们无法改变。所以要降低温度，只有两种办法：

  • 降低热耗\(\dot{Q}\)
  • 增加散热面积\(A\)

所以要使用散热器增加散热面积，但是增加一倍高度，并不意味这降低一半的温差。

散热器计算公式

Bar-Cohen and Rohsenow (1984)

\[ \dot Q=h(2nLH)(T_s-T_\infty) \]
\[ n=W/(S+t)\approx W/S\quad\text{} \]

换热系数\(h\) 通过下式求解：

\[ \mathrm{Nu}=\dfrac{hS}{k}=\left[\dfrac{576}{(\mathrm{Ra}_S S/L)^2}+\dfrac{2.873}{(\mathrm{Ra}_SS/L)^{0.5}}\right]^{-0.5} \]

其中\(\mathrm{Ra}_S\)为

\[ \mathrm{Ra}_S=\dfrac{g\beta(T_s-T_x)S^3}{v^2}\mathrm{Pr} \]

最优齿间距：

\[ S_{\mathrm{opt}}=2.714\bigg(\dfrac{S^3L}{\mathrm{Ra}_S}\bigg)^{0.25}=2.714\dfrac{L}{\mathrm{Ra}_L^{0.25}} \]
\[ \mathrm{Ra}_L=\dfrac{g\beta(T_s-T_x)L^3}{v^2}\mathrm{Pr}=\mathrm{Ra}_S\dfrac{L^3}{S^3} \]

计算实例

问题描述 在30°C空气中放置120mm宽、180mm高的垂直热表面 具有等间距矩形翅片的散热器（图 9–20）。鳍 垂直方向厚1mm，长180mm，高度 距底座24mm。确定最佳翅片间距和热速 如果基本温度为 80°C，则通过散热器的自然对流传输。

\[ \begin{array}{l}k=0.02772\mathrm{W/m}\cdot\mathrm{^\circ C}\quad\mathrm{Pr}=0.7215\\ \nu=1.846\times10^{-5}\mathrm{m}^2/\mathrm{s}\quad\mathrm{B}=1/T_f=1/328\mathrm{K}\end{array} \]

![[9-3.svg]]

结果 ![[figure.svg]]

仿真精度

  • +/-5°C 已经是仿真比较好的精度了，保留足够的余量。
  • 只提供一份统一的结果。
  • 即使是测试结果也有误差的，功率，热电偶系统的误差+/-2°C

热管

热管，VC是2相均热设备

应用场景： - 热源到冷凝端的距离比较远。 >50mm - 局部可使用的翅片面积是热源面积的10倍，使用热管可以将热量带到其他区域的翅片。这样可以通过增加水平方向的散热齿，降低散热齿的高度，适用于高度受限的产品。 - 与铜块相比可以降低产品重量。

热测试

仿真与测试 - 仿真模型的校准与迭代

测温设备 - 热电偶，T型或K型 - 红外仪，注意表面对测量结果的干扰

测试计划 - 关键器件 - 传感器读数 - 热电偶测温点

测试报告 - 工况 - 功耗 - 测量温度 - 测量温度推算结温 - 器件允许的最大值和余量