电子设备热设计第三讲
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第一章电子设备热设计基本知识
F12 —— 两物体表面的角系数。
c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— x方向的温度变化率，℃/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相
反。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— x方向的温度变化率，℃/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相
反。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
电子行业电子设备热设计第三讲
电子行业电子设备热设计第三讲一、概述在电子行业中，电子设备的热设计是非常关键的一项工作。
合理的热设计可以保证电子设备的稳定性和可靠性，同时也可以提高电子设备的性能和寿命。
本文将对电子行业电子设备热设计的一些基本概念和方法进行介绍，帮助读者更好地理解和应用热设计在电子设备中的作用。
二、热设计的重要性在电子设备中，由于电子器件的工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，就会导致电子设备的温度升高，进而影响设备的性能和寿命。
因此，热设计成为了电子设备设计中不可忽视的一个重要环节。
在电子设备热设计中，常用的指标包括温度上限、温度梯度和温度均匀性等。
温度上限表示设备能够承受的最高温度，一旦超过该温度，设备就有可能出现损坏或者失效的情况。
温度梯度表示设备内部不同位置的温度差异，过大的温度梯度可能导致部分电子器件工作不稳定。
温度均匀性表示设备内部不同部分的温度分布是否均匀，均匀的温度分布可以提高设备的可靠性和寿命。
三、热设计的基本原理1. 热传导热传导是热设计中最基本的过程，它描述了热量从高温区域传递到低温区域的过程。
在电子设备中，热传导通常是通过导热材料的传导实现的，如铜、铝等具有良好导热性能的材料。
通过合理选择导热材料，可以提高电子设备的散热效果，减少设备的温度上升。
2. 热对流除了热传导外，热对流也是电子设备热设计中常用的散热方式之一。
热对流是指热量通过流体的对流传送，如空气、水等。
在电子设备中，通常通过风扇或者散热片等装置来增加空气流动，加速热量的传输。
合理布置散热片和风扇，可以有效地提高电子设备的散热效果，降低设备的工作温度。
3. 热辐射除了热传导和热对流外，热辐射也是电子设备热设计中需要考虑的因素之一。
热辐射是指热量以电磁波的形式传播，不需要依靠介质传递。
在电子设备中，一些高温的零部件，如芯片和电阻等，会通过热辐射的方式散热。
通过合理设计设备结构和热辐射面积，可以提高设备的散热效果，降低设备的温度。
电子产品热设计培训稿
首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热 流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然 对流冷却就足够了。
16
三、机箱自然对流热设计 影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距 电子元件耗散功率及布局 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机箱表面积
（4）各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要 求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热 保护回路， 以提高系统的可靠性。
12
二、热设计的方法
（三）热设计遵循的原则
热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是℃/W。
6
一、热设计基本知识
热设计的有关概念
（8）热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流 路径图。
（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件 并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不 到一条通路来散热，温度就会升高。这个热流量就是 功耗。
0.90
0.90
85
100
115
10
二、热设计的方法
（二）常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫
液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、 强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。
由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计 方法如图 7 所示。
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热 流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然 对流冷却就足够了。
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三、机箱自然对流热设计 影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距 电子元件耗散功率及布局 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机箱表面积
（4）各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要 求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热 保护回路， 以提高系统的可靠性。
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二、热设计的方法
（三）热设计遵循的原则
热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是℃/W。
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一、热设计基本知识
热设计的有关概念
（8）热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流 路径图。
（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件 并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不 到一条通路来散热，温度就会升高。这个热流量就是 功耗。
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0.90
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二、热设计的方法
（二）常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫
液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、 强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。
由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计 方法如图 7 所示。
电子产品热设计原理和原则
冷
d
L
L
热 热 D
D 热
D 冷
d
热 D
2024/4/28
冷 热 D d
热
冷
47
3.是否充分利用导热路径：导热材料将发热器件与机壳相连。 4.是否充分利用辐射散热路径； 5.使用散热器； 6.其他冷却技术：冷管
2024/4/28
48
烟囱效应
如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果 体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空 气推开，然后上升。这就是自然对流。
如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上 下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。
2024/4/28
49
烟囱效应形成的压差
H
基于烟囱效应的静压[kg/m2] =(外部空气密度[kg/m3]-(内部空气密度[kg/m3])X烟囱高度[m]
空气密度[kg/m3]=0 ℃的空气密度[kg/m3]X273.15/(273.15+气温[℃])
近的规格
2024/4/28
40
散热片的材料和表面处理
材料： 1. 散热要求不高的场合，用铝材； 2. 散热要求高的场合，用铜材； 3. 兼顾成本、散热性能要求，基座用铜，鳍片用铝。
表面处理： 为提高鳍片外表面的辐射接收性能，将外表做黑化处理 提高鳍片黑度
2024/4/28
41
散热片的安装
安装散热片的注意事项：
Tj
R = Rjc + Rcs + Rsa
Tj ----晶片界面温度，一般115-180 ℃,军用65-80 ℃; Tc ---- 晶片与导热介质界面温度 Ts ----导热介质与散热片界面温度 Ta ----外界为空气35-45 ℃ ，密闭空间或接近其他热源50-60 ℃ Rjc ----晶片到封装外壳热阻 Rcs ----导热介质热阻 R20s2a4/4-/-2-8-散热片热阻
《电子热设计》课件
总结与展望
总结课程内容，展望未来的学习和应用方向。
学习资源推荐
推荐相关的学习资源和进一步的学习路径。
介绍各种用于热管理的工具和策略。
3 热管理的实践案例
分享一些成功的热管理实践案例。
热设计实践
1
热设计的流程
详细说明进行热设计的步骤和流程。
热设计的注意事项
2
提供一些在热设计过程中需要注意的
关键点。
3
热设计的实例分析
通过实际案例分析，展示热设计的关键知识和技能。
探讨计算热传导的数学 公式和方法。
3 热传导方程
讲解热传导方程的推导 和应用。
热辐射基础
1 热辐射定义
了解热辐射的基本概念和特性。
2 热辐射功率密度
介绍热辐射功率密度的计算和应用。
3 热辐射强度
讨论热辐射强度对电子热设计的影响。
热管理
1 热管理的重要性
解释为什么热管理在电子设备设计中非常关键。
2 热管理的工具和策略
电子热设计
通过本课程，你将学习电子热设计的背景、基础知识和实践案例，以及热传 导和热辐射的重要性和应用。
课程简介
背景介绍
了解电子热设计的背景和涉及的领域。
学习内容概述
概述本课程涵盖的知识和技能。
课程目的
明确本课程的目标和意义。
热传导基础
1 热传导定义
介绍热能在固体、液体 和气体中的传导原理。
2 热传导公式
电子设备的热设计
式中 : f 流道壁阻尼数 f = 0. 034 ; l 流道长度 ; v 流速 ;ρ密度 ; de 当量直径 。 Δ P1 = 3. 735 ×103 Pa
∑ Δ P2 = ξ(ρv2) / 2 = 5275Pa
Δ P = Δ P1 +Δ P2 = 3735 + 5275 = 9000Pa < 〔Δ P〕 由此可知 : tω <〔tω〕, Δ P <〔Δ P〕满足设计要求 。
表 3 样品的最大拉脱力
样品号
1
2
3
4
5
6
拉脱力 (N) 1450 1460 1400 1700 1500 1520
均大于性能指标中规定的 300 磅 ( 135kg) ,即 1350N 。 4. 3 讨论
以上试验结果说明 ,钛镍环的抗温度冲击能力 、 抗随机振动能力 、电连续性及其对屏蔽套与插头后 附件的紧固效果 ,完全满足军用机载电子设备环境 试验指标要求和钛镍环性能指标中的规定 。
Thermal Design of Electronic Equip ment
Zhao Chunlin ( N anji n g Research I nstit ute of Elect ronics Technology , N anji ng 210013 , Chi na)
Abstract :This paper analyses and int roduces t he cureent cstat us of t he t hermal design of elect ronic e2 quip ment s ,relates t he feat ures and advantages of cooling by cold plate ,int roduces t he design process of a cold plate of a typical module and finally gives t he general met hod of designing cold plate in different co ndit io ns. Key Words :Elect ronic equip ment ; Thermal design ;Cooling system ;Cold plate
∑ Δ P2 = ξ(ρv2) / 2 = 5275Pa
Δ P = Δ P1 +Δ P2 = 3735 + 5275 = 9000Pa < 〔Δ P〕 由此可知 : tω <〔tω〕, Δ P <〔Δ P〕满足设计要求 。
表 3 样品的最大拉脱力
样品号
1
2
3
4
5
6
拉脱力 (N) 1450 1460 1400 1700 1500 1520
均大于性能指标中规定的 300 磅 ( 135kg) ,即 1350N 。 4. 3 讨论
以上试验结果说明 ,钛镍环的抗温度冲击能力 、 抗随机振动能力 、电连续性及其对屏蔽套与插头后 附件的紧固效果 ,完全满足军用机载电子设备环境 试验指标要求和钛镍环性能指标中的规定 。
Thermal Design of Electronic Equip ment
Zhao Chunlin ( N anji n g Research I nstit ute of Elect ronics Technology , N anji ng 210013 , Chi na)
Abstract :This paper analyses and int roduces t he cureent cstat us of t he t hermal design of elect ronic e2 quip ment s ,relates t he feat ures and advantages of cooling by cold plate ,int roduces t he design process of a cold plate of a typical module and finally gives t he general met hod of designing cold plate in different co ndit io ns. Key Words :Elect ronic equip ment ; Thermal design ;Cooling system ;Cold plate
热设计培训讲义
4
W /m
2
注：上面两个公式中的温度均为绝对温度，而非摄氏温度。
黑度ε（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与 颜色无关。
灰体：其黑度和吸收比与波长无关的理想体。灰体的吸收比 恒等于同温度下的黑度。一般工程材料均可当成灰体处理 ⑵ 辐射换热的网络分析法 思路：把辐射换热模拟成相应的电路系统。 做法：引入两个辐射换热热阻。
1.5 稳态传热
1.6 瞬态传热 1.7 耗散功率的规定
1.1 引言
电子元件的热封装和热设计 电子设备热控制技术的发展 热控制的基本目的：防止电子元件严重 的热损坏
1.2 热源和热阻
电子设备工作过程中可能的三种热量来源
① ② ③ 功率元件耗散的热量：电能→热能 周围环境传递给设备的热量 大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温
工程中肋片散热量的计算步骤：
⑴ 计算当量肋高
等截面矩形肋 l c l / 2
l = r2 r1 矩形截面环行肋 l c l / 2 r r l 0 1 c
三角形肋
lc = l
f
th ( m l c ) m lc
⑵ 计算肋效率
⑶ 计算理想情况下的肋片散热量
定义肋效率：
f
肋片实际散热量 按肋片基部温度计算的散热量
＝
Q Q0
在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导热定律，可以得 到肋片效率的计算公式为：
f
th ( m l c ) m lc
U
α—— 对流换热系数； m λ—— 肋片导热系数 Ac U —— 横截面周长； lc—— 当量肋高； AC —— 横截面面积。
电子产品热设计原理和原则培训课件
01
服务器热设计案例
Dell PowerEdge R740
02
热设计挑战
服务器内部通常有多颗处理器和多个硬盘，发热量大，且需要保证长时
间稳定运行，对散热要求极高。
03
解决方案
Dell PowerEdge R740采用了高效的风道设计和多风扇散热系统，同时
使用了液冷技术，如冷板式和浸没式液冷，来将热量快速散发出去。
自然散热技术是指利用自然对流和辐射散热的方式，将电子产品的热量传递到周围 环境中。
自然散热技术适用于低功耗、低发热的电子产品，如小型电子设备、遥控器等。
自然散热技术的优点是结构简单、成本低、可靠性高，缺点是散热效果受环境温度 影响较大，散热效率较低。
强制风冷散热技术
强制风冷散热技术是指通过风扇等机 械通风装置，强制将冷空气吹向发热 元件，将热量带走并排放到周围环境 中。
详细描述
导热是热设计中的基本原理之一，主要通过固体材料的晶格结构和自由电子的 运动传递热量。热量从高温向低温传递，传递速率与材料的导热系数成正比。 常见的导热材料包括金属、石墨烯、金刚石等。
对流换热原理
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，涉及到流体中质点的宏观运 动和流体分子与固体表面之间的微观相互作用。
电子产品热设计的目标与原则
目标
确保电子产品在工作过程中温度 处于安全范围内，防止过热，保 证稳定运行。
原则
合理选择散热方式、优化散热结 构、降低热阻、提高散热效率。
电子产品热设计的基本流程
选择散热方式
根据实际情况选择自然散热、 强制散热或热管散热等散热方 式。
仿真与优化
利用热仿真软件对设计进行仿 真，分析散热效果，并根据仿 真结果进行优化。
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- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
▪ 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
▪ 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
▪ 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
电子设备热设计第三讲
❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
电子设备热设计第三讲
❖不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
Tj=63.7C Tj=67.1C
Tj=70.8C Copper 1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
§The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
电子设备热设计第三讲
§通常Rja随着下列因素提高而降低：
§带肋片壁面换热热阻为
§包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的 导热热阻，后者反映在表面效率上。
电子设备热设计第三讲
m值的意义
§肋片材料和流体物性的函数 § 为横截面周长， 为横截面面积
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的优化
电子设备热设计第三讲
肋片参数的优化
§随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程
度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。
电子设备热设计第三讲
Heat Sink Resistance 散热器的热阻
Q = h . A . (Tw - Tf)
•增强传热的方式
–增加传热面积 –增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
电子设备热设计第三讲
最简单的形式
电子设备热设计第三讲
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的性能
电子设备热设计第三讲
肋片效率
§肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材
料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等 于肋根温度）下散热量 之比
§流体流过肋片散热器时热阻为
§仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
片根部基壁表面对传热的影响。
电子设备热设计第三讲
肋片表面效率
§有效传热面积与总传热面积之比
§Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
§输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
电子设备热设计第三讲
肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
电子设备热设计第三讲
§To select a heat sink for a given
电子设备热设计第三讲
▪ 强迫冷却散热器的设计注意事项
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
电子设备热设计第三讲
剖面 型线
剖面 最佳
面积 系数
关系
表面 效率
最佳 条件 剖面 面积
最佳 肋根 厚
最佳 肋高
1 1.419 0.627 0.50 0.632 0.798
0.5 1.309 0.594 0.347 0.828 0.842
0.33 1.414 0.502 0.333 1.0 1.0
电子设备热设计第三讲
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的材料
电子设备热设计第三讲
Thermal Properties of Heat Sink Materials 散热器材料热特性
电子设备热设计第三讲
肋片散热器底座与翅片材料需求
§散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热 量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与 空是量气与传▪进C导首CP行的PU先U热终接是释交点触散放换，并热的。最聚器热在终集底量这将热座，个热量在即过量的短瞬程散地时间中失方间吸，到，内热散空而能能热气翅尽力片中片可，的。则能只底所是多有座以热的具，吸备收高热 散热器传的导底系座数和的翅金片属是才最能值胜得任重。视其的次两是个散部热分器。本体应当 具备▪ 目足前够最的常储用热的能散力热，片即材较料大是的铜热和容铝量合，金通。常而承铝担合金 这个容任易务加的工是，翅成片本。低对，于所金以属也导是热应材用料最而多言的，材比料热。相 和热比传▪之导采下系用，数铜铜是铝的两结瞬个合间重制吸要造热的，能参采力数用比。铜铝金合属金底好座，或但铜散柱热芯的，而 速度散就热较翅铝片合采金用要铝慢合。金。凭借较高的导热系数，铜制 底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以 借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并 提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到 了的一个均衡点。
0.5”x0.6”x0.5”
1.5”x0.6”x0.5”
▪ fin的长度加倍，散热能力为1.4倍
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C
Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C Tj=68.1C
Tj=73.5C Aluminum
1.5”x1.5”x1.6”
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
电子设备热设计第三讲
▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
▪ 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
电子设备热设计第三讲
Stamping Heat Sinks:冲压散热器
are made of copper or aluminum sheet metal 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状
low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度 的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因 此可进一步降低成本。
电子设备热设计第三讲
肋片散热器底座与翅片材料需求
▪ 同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的 比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可 以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一 块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温 度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜 更适合做成散热器的底面。
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
▪ 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大 于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫 风冷。
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
▪ 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
▪ 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
▪ 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
电子设备热设计第三讲
❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
电子设备热设计第三讲
❖不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
Tj=63.7C Tj=67.1C
Tj=70.8C Copper 1.5”x1.5”x1.6”
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优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
§The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
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§通常Rja随着下列因素提高而降低：
§带肋片壁面换热热阻为
§包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的 导热热阻，后者反映在表面效率上。
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m值的意义
§肋片材料和流体物性的函数 § 为横截面周长， 为横截面面积
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肋片散热器(heat sinks)的优化
电子设备热设计第三讲
肋片参数的优化
§随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加 ？
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程
度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。
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Heat Sink Resistance 散热器的热阻
Q = h . A . (Tw - Tf)
•增强传热的方式
–增加传热面积 –增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
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最简单的形式
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肋片散热器(heat sinks)的性能
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肋片效率
§肋片实际散热量 与理想情况（即假定肋片材
料的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等 于肋根温度）下散热量 之比
§流体流过肋片散热器时热阻为
§仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
片根部基壁表面对传热的影响。
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肋片表面效率
§有效传热面积与总传热面积之比
§Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
§输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
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肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
电子设备热设计第三讲
§To select a heat sink for a given
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▪ 强迫冷却散热器的设计注意事项
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
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剖面 型线
剖面 最佳
面积 系数
关系
表面 效率
最佳 条件 剖面 面积
最佳 肋根 厚
最佳 肋高
1 1.419 0.627 0.50 0.632 0.798
0.5 1.309 0.594 0.347 0.828 0.842
0.33 1.414 0.502 0.333 1.0 1.0
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肋片散热器的材料
电子设备热设计第三讲
Thermal Properties of Heat Sink Materials 散热器材料热特性
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肋片散热器底座与翅片材料需求
§散热器所要做的的就是要将聚集CPU Die中的热 量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与 空是量气与传▪进C导首CP行的PU先U热终接是释交点触散放换，并热的。最聚器热在终集底量这将热座，个热量在即过量的短瞬程散地时间中失方间吸，到，内热散空而能能热气翅尽力片中片可，的。则能只底所是多有座以热的具，吸备收高热 散热器传的导底系座数和的翅金片属是才最能值胜得任重。视其的次两是个散部热分器。本体应当 具备▪ 目足前够最的常储用热的能散力热，片即材较料大是的铜热和容铝量合，金通。常而承铝担合金 这个容任易务加的工是，翅成片本。低对，于所金以属也导是热应材用料最而多言的，材比料热。相 和热比传▪之导采下系用，数铜铜是铝的两结瞬个合间重制吸要造热的，能参采力数用比。铜铝金合属金底好座，或但铜散柱热芯的，而 速度散就热较翅铝片合采金用要铝慢合。金。凭借较高的导热系数，铜制 底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以 借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并 提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到 了的一个均衡点。
0.5”x0.6”x0.5”
1.5”x0.6”x0.5”
▪ fin的长度加倍，散热能力为1.4倍
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Tj=64.0C
Tj=63.7C
1.5”x1.5”x1.6”
2.0”x2.0”x1.6”
电子设备热设计第三讲
Tj=64.0C Tj=68.1C
Tj=73.5C Aluminum
1.5”x1.5”x1.6”
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▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
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▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
▪ 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
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Stamping Heat Sinks:冲压散热器
are made of copper or aluminum sheet metal 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状
low cost, high volume solution for low power applications成本低，适合批量供应，可用于低热密度 的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因 此可进一步降低成本。
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肋片散热器底座与翅片材料需求
▪ 同样体积的散热材料，铜的重量是铝的3倍；而铝的 比热仅为铜的2.3倍。所以相同体积下，铜散热片可 以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一 块厚度的底部，铜不但可以快速引走CPU Die的温 度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜 更适合做成散热器的底面。
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
▪ 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大 于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫 风冷。