《系統(tǒng)散熱講義》PPT課件

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1、電子系統(tǒng)的散熱問(wèn)題,熱的產(chǎn)生原因： 電子元件在運(yùn)作時(shí)，無(wú)法達(dá)到100%的效率，所流失 的能量絕大部分都轉(zhuǎn)換成熱量發(fā)散。 超導(dǎo)體的研究正是在克服此問(wèn)題的發(fā)生,電子系統(tǒng)的散熱問(wèn)題,電腦中的主要熱源： 中央處理器(CPU) 南北橋晶片(Chip Set) 圖形處理器(GPU) 記憶體(Memory Set) 硬盤(HD) 電源(Power Supply) 其他 散熱的處理原則： 按照能量不滅定律，熱不會(huì)消失，僅是轉(zhuǎn)移至它處。,Cooler簡(jiǎn)易示意圖,扣具 風(fēng)扇 上蓋 散熱片 支架 背板,風(fēng)扇運(yùn)算的基本原理,DC風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)原理： 根據(jù)安培右手定則，導(dǎo)體通過(guò)電流，周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) ，若將此導(dǎo)體置於另一固定磁

2、場(chǎng)中，則將產(chǎn)生吸力或 斥力，造成物體移動(dòng)。在直流風(fēng)扇的扇葉內(nèi)部，附著 一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環(huán)繞著矽鋼片，軸心部 份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應(yīng)元件作為同步偵測(cè) 裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈 輪流工作。矽鋼片產(chǎn)生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵 產(chǎn)生吸斥力。當(dāng)吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時(shí)，扇葉 自然轉(zhuǎn)動(dòng)。由於霍爾感應(yīng)元件提供同步信號(hào)，扇葉因 此得以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，至於其運(yùn)轉(zhuǎn)方向，可依佛萊明右手 定則決定。,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測(cè)量原理,檢測(cè)RPM完全基於風(fēng)扇底三導(dǎo)（白色線）F.G (Frequency Generation output) 輸出測(cè)量，跟據(jù) 輸出的高低電平及頻率幅度，BIOS取觸發(fā)信

3、號(hào) （相當(dāng)於一個(gè)計(jì)數(shù)器）， 然後再根據(jù)風(fēng)扇充磁極數(shù) 決定其周期頻率和RPM 。,風(fēng)扇的啟動(dòng)電壓,啟動(dòng)電壓意即風(fēng)扇最低運(yùn)轉(zhuǎn)工作 電壓，是比較風(fēng)扇優(yōu)劣 的一項(xiàng)特性，通常淨(jìng)摩擦系數(shù)較低的風(fēng)扇，以及配臺(tái)較 低工作電壓的霍爾IC才能使風(fēng)扇用較低的電壓來(lái)啟動(dòng)。,影響的因素： 繞線設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)矽鋼片磁滯損失大小 霍爾lC的最低工作電壓 電晶體放大倍數(shù)高低 橡膠磁鐵的充磁強(qiáng)度 .扇葉的重量 .軸承的摩擦系數(shù)高低 電晶體飽和電壓高低 是否有反向保護(hù)二極體。,風(fēng)扇的死角,所謂風(fēng)扇死角是指風(fēng)扇置於某些角度情況下不能依規(guī)定電 壓?jiǎn)?dòng)。測(cè)試方法就是將風(fēng)扇各極依序調(diào)整置於霍爾IC之 前，然後將電壓緩慢調(diào)高直到啟動(dòng)，若各極

4、在小於規(guī)定電 壓值之前啟動(dòng)，代 表合格，若有高低差異，啟動(dòng)電壓超出 規(guī)定者，稱為死角。,影響的因素： 橡膠磁鐵各極充磁不均 霍爾IC感應(yīng)靈敏度太差 ； 橡膠磁鐵充磁磁場(chǎng)太弱 。,風(fēng)扇的充磁極數(shù),極數(shù)多代表磁場(chǎng)變化速度快，磁場(chǎng)變化速度快代表頻率增加 ，頻率增加一方面提高矽鋼片能量轉(zhuǎn)換效率，使相同電流值 能作較多的功，得到較高轉(zhuǎn)速，所以，轉(zhuǎn)速與極數(shù)係成正比 關(guān)係。,風(fēng)扇性能,,,Q正比 (轉(zhuǎn)速) P正比 (轉(zhuǎn)速2) Q正比 (風(fēng)扇尺寸3) P正比 (風(fēng)扇尺寸2) 風(fēng)扇的改變： 轉(zhuǎn)速及尺寸增加,風(fēng)扇的類型,*軸流扇：高流量*離心扇：高靜壓,鰭片作用原理,高效能的散熱 熱傳係數(shù)散熱面積溫度差,*熱傳係

5、數(shù)： 材料性質(zhì)，幾何形狀， 流場(chǎng)狀況 *散熱面積： 製造加工方式，幾何形狀 *溫度差： 幾何形狀，流場(chǎng)狀況,鰭片散熱途徑,*熱傳導(dǎo)： 固體部分，鰭片的材質(zhì)( 鋁 = 銅 = ? ) 結(jié)合方式 ( Epoxy = Solder = Brazing = ? ) *熱對(duì)流： 風(fēng)扇的效能 ( 60 = 70 = 80 = ? ) *熱輻射： 溫度差的自發(fā)性反應(yīng) ( X ) *沸騰，蒸發(fā)： 熱管, Vapor Chamber,CPU Cooler 熱阻之定義,Ta,Tc,,,R total = R CPU + R Contact + R Cooler R total = 總熱阻 = (Tc - Ta)

6、Q R CPU = CPU熱阻 R Contact = CPU至鰭片之接觸熱阻 R Cooler = Cooler熱阻,熱阻計(jì)算公式,Tc Ta =,,Q,Kcu Acu,,Xcu,,,,Q,Q,Q,1 / R grease,K Al A Al,,X Al,H convection A Al,+,+,+,CPU,散熱膏,散熱片,R tot =,,Tc Ta,Q,=,R cpu + R grease + R cooler,鰭片設(shè)計(jì)重點(diǎn),*總體積尺寸 *材料 *底板厚度 *鰭片形狀 *鰭片厚度 *鰭片間距 *鰭片長(zhǎng)度 *鰭片底板之結(jié)合材料,鰭片效能因子,*熱對(duì)流強(qiáng)度或鰭片面積 *鰭片所具有的熱傳導(dǎo)

7、面積 *風(fēng)扇壓力損失 *底板的熱擴(kuò)散性,鰭片其他設(shè)計(jì)考量,*製造生產(chǎn)的困難度 鰭片的細(xì)長(zhǎng)比 Fin-to-Fin間距 鰭片/底板之結(jié)合材料 *重量 *價(jià)格,傳統(tǒng)散熱片製程說(shuō)明,鋁擠型： 主要材料為鋁6063，傳導(dǎo)率約在160180 W/mK ，易加工，限制在於散熱鰭片之細(xì)長(zhǎng)比有其限制 (<15)，無(wú)法在有限空間下大量增加散熱面積。 壓鑄型： 可作成複雜形狀的導(dǎo)流設(shè)計(jì)，能做出薄且密的鰭 片，以增加散熱面積。常用的壓鑄合金為ADC12 ，但熱傳導(dǎo)性較差(96W/mK)。,散熱片的新製程,接合型 ( Bonding Fins ) ： 利用鋁擠型擠出有溝槽的散熱片底板，同時(shí)將鋁板片 或銅板片作成一片片

8、的鰭片，接著將每片鰭片插入散 熱片底板的溝槽上，再利用導(dǎo)熱黏膠或銲錫將兩者接 合起來(lái)。 優(yōu)點(diǎn)細(xì)長(zhǎng)比可達(dá)60倍以上，鰭片可選擇不同材料。 缺點(diǎn)銲接效果難控制，造成界面阻抗增加，且接合 強(qiáng)度亦影響產(chǎn)品之可靠性。,散熱片的新製程,折彎型 ( Folding Fins ) ： 將薄板片折呈鰭片排列形狀，再用硬焊或錫焊方式 與擠形過(guò)或機(jī)械加工過(guò)底板相結(jié)合成一散熱片。 優(yōu)點(diǎn)可作高細(xì)長(zhǎng)比的散熱片，鰭片部分是一體折 彎成型，有利於熱傳導(dǎo)之連續(xù)性，具有不同散熱材 料組合的彈性。 缺點(diǎn)依然有額外的界面阻抗及不易建構(gòu)緊密排列 之細(xì)間散熱片。,散熱片的新製程,鍛造型 ( Forging Fins ) ： 係經(jīng)精密的風(fēng)

9、到設(shè)計(jì)，於模具上開(kāi)適當(dāng)?shù)啮捚帕校?將鋁塊加熱至降伏點(diǎn)後，於模穴內(nèi)利用高壓使鋁材充 滿模穴而形成柱狀鰭片。 優(yōu)點(diǎn)鰭片高度可達(dá)50mm以上，厚度可薄至1mm以 下。 缺點(diǎn)散熱片容易有鰭片高度不均之現(xiàn)象，模具費(fèi)用 高。,散熱片的新製程,刨削型 ( Skiving Fins ) ： 先以擠型方式做出長(zhǎng)條狀帶有凹槽的初胚，接著利用 一特殊刀具將初胚創(chuàng)初一層層彎曲的鰭片出來(lái)。 優(yōu)點(diǎn)鰭片厚度可薄至0.5mm以下，同時(shí)鰭片與底板 是一體成行無(wú)界面阻抗之問(wèn)題，另外具有高鰭 片密度，高散熱片面積，高熱導(dǎo)性。 缺點(diǎn)量產(chǎn)不易，刀具易磨損，製造材料多。,散熱片的新製程,機(jī)械加工型 ( Machining Fins )

10、 ： 直接由金屬塊將材料加工成具有鰭片間隙的散熱片型 式。通常是在CNC機(jī)臺(tái)上以GangSaw刀具來(lái)加工製造 散熱片，此刀具具有多重精密排列的鋸輪。 優(yōu)點(diǎn)適用於高性能散熱片的製造，如銅散熱片加工 ，且容易自動(dòng)化。 缺點(diǎn)加工過(guò)程中易造成鰭片損害和變形問(wèn)題，同時(shí) 產(chǎn)生大量廢料與材料耗損，較不具生產(chǎn)性。,散熱片的新製程,金屬粉末射出成型 ( MIM Fins ) ： 應(yīng)用在散熱片製造上，主要著眼於有些高熔點(diǎn)，高熱 傳導(dǎo)的材料，如Cu，Cu-W，不易用上述幾種製程予 以一體成型。直接作成散熱片型式之初胚，接著再利 用高溫?zé)Y(jié)成具有強(qiáng)度與高密度的成品。 優(yōu)點(diǎn)可將高熱倒的銅粉末直接一體成型出高效能的 散熱

11、片，適合用在高發(fā)熱密度並受限於空間限 制的電子元件上，熱阻抗值比鋁材低很多。 缺點(diǎn)原料成本較昂貴，產(chǎn)品良率較其他製程低。,近期開(kāi)發(fā)重點(diǎn),水冷式散熱系統(tǒng)組件： 微型抽水馬達(dá) 儲(chǔ)水槽 管線 水冷器 風(fēng)扇,近期開(kāi)發(fā)重點(diǎn),導(dǎo)熱管及均熱板(Heat Pipe & Chamber)：,未來(lái)產(chǎn)品微冷卻器,微熱交換器 微冷凍機(jī) 微流道熱沉 微熱管 微型空調(diào)系統(tǒng),系統(tǒng)散熱問(wèn)題,機(jī)箱散熱機(jī)制： 電源 系統(tǒng)風(fēng)扇 開(kāi)孔大小及位置 機(jī)箱外殼材料 Cooler的主要目的是降低CPU的溫度，它僅是提供一溫 度差(Tc - Ta)，當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，CPU的溫度也 會(huì)相對(duì)提高，此時(shí)改善散熱器的效能僅是延緩CPU溫度 的快

12、速升溫趨勢(shì)，對(duì)整體機(jī)箱的穩(wěn)定性並無(wú)幫助。 考量系統(tǒng)散熱的工作重點(diǎn)在於如何有效置換機(jī)箱內(nèi)部與 外界的空氣交換。,電源及系統(tǒng)風(fēng)扇組合,,,,,不當(dāng)開(kāi)孔設(shè)計(jì)： 從系統(tǒng)風(fēng)扇開(kāi)孔處引進(jìn) 的風(fēng)很容易直接被電源 風(fēng)扇抽走，此外電源排 出的熱風(fēng)容易經(jīng)過(guò)此開(kāi) 孔處再次被引入。 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)： 系統(tǒng)風(fēng)扇開(kāi)孔處的入風(fēng) 溫度約高於恆溫恆濕機(jī) 兩度。 將此開(kāi)孔封閉一般Tc溫 度約降一至二度。,電源及系統(tǒng)風(fēng)扇組合,搶風(fēng)問(wèn)題： 按現(xiàn)有機(jī)箱結(jié)構(gòu)造成 cooler風(fēng)扇和電源風(fēng)扇 及系統(tǒng)風(fēng)扇同時(shí)搶風(fēng) 現(xiàn)象。 導(dǎo)致現(xiàn)象： 部分低溫空氣被系統(tǒng) 風(fēng)扇及電源風(fēng)扇抽走 氣流混亂干擾造成系 統(tǒng)噪音提昇,,電源及系統(tǒng)風(fēng)扇組合,,Cooler帶走的

13、熱量需要經(jīng)由電源帶走，此時(shí)由於電源風(fēng) 扇的效能有限，造成溫度在機(jī)箱內(nèi)部積存，導(dǎo)致機(jī)箱溫 度的提昇。,開(kāi)孔大小及位置,,側(cè)面開(kāi)孔,機(jī)箱開(kāi)孔及材質(zhì)選定對(duì)系統(tǒng)整體散熱效益為輔助功能， 開(kāi)孔位置及大小可避免不必要的溫度集中現(xiàn)象，開(kāi)孔率 不足將無(wú)法有效引入足夠新鮮空氣開(kāi)孔率過(guò)大有EMI 的問(wèn)題，及無(wú)法有效導(dǎo)引風(fēng)向的流動(dòng)。,系統(tǒng)散熱的方向,CPU發(fā)熱量將繼續(xù)提昇，加上顯卡晶片的熱量增加， 系統(tǒng)先期規(guī)劃上需考量開(kāi)孔分布及大小以及空氣置 換量的需求確立電源及系統(tǒng)風(fēng)扇的工作風(fēng)量。 設(shè)計(jì)考量在於直接引入外界空氣進(jìn)行熱源處的冷卻， 冷卻後所產(chǎn)生的熱量直接透過(guò)風(fēng)槽導(dǎo)出機(jī)箱外，避免 熱量流入機(jī)箱中，導(dǎo)致機(jī)箱溫度的升高，造成整體性 能的不穩(wěn)定。 引入熱管及水冷系統(tǒng)用以快速將熱量轉(zhuǎn)移增加機(jī)箱 外殼的散熱效能。,