散熱基礎(chǔ)知識簡介

2017-02-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

人們對手機等電子產(chǎn)品的依賴程度越來越高,長時間用手機聊天、看影視劇、玩游戲,往往會導(dǎo)致手機迅速發(fā)熱,而手機類電子產(chǎn)品發(fā)熱溫升超過10度,性能往往會下降50%以上,并且手機類電子產(chǎn)品發(fā)熱嚴(yán)重會導(dǎo)致手機重啟或者爆炸等意外事故的發(fā)生。如何更好提升手機的散熱性能并且預(yù)防上述意外事故的發(fā)生,需要借助CFD手段在手機類電子產(chǎn)品的研發(fā)階段就“把好關(guān)”。

那么,CFD軟件如何在手機類電子產(chǎn)品中產(chǎn)生作用?

電子熱設(shè)計基礎(chǔ)理論

熱傳遞的方式

熱量傳遞的基本規(guī)律是熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞,熱量的傳遞方式主要包括三種:傳導(dǎo)、對流、輻射。

傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生,它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對于電子設(shè)備,傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進行散熱的方法有:增大接觸面積,選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料,縮短熱流通路,提高接觸面的表面質(zhì)量,在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊,接觸壓力均勻等。

對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流,是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式——所謂的自然對流是因為冷、熱流體的密度差引起的流動,而強迫風(fēng)冷是由外力迫使流體進行流動,更多是因為壓力差而引起的流動。產(chǎn)品設(shè)計中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

影響對了換熱的因素很多,主要包含:流態(tài)(層流/湍流)、流體本身的物理性質(zhì)、換熱面的因素(大小、粗糙程度、放置方向)等。

輻射

輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式,它是量子從熱體(輻射體)到冷體(吸收體)的轉(zhuǎn)移。

提高輻射散熱的方法有:提高冷體的黑度,增大輻射體與冷體之間的角系數(shù),增大輻射面積等。

增強散熱的方式

電子產(chǎn)品的設(shè)計可以通過以下幾種方式增強散熱:

增加有效散熱面積:散熱面積越大,熱量被帶走的越多
增加強迫風(fēng)冷的風(fēng)速、增大物體表面的對流換熱系數(shù)
減小接觸熱阻:在芯片與散熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂或者填充導(dǎo)熱墊片,可有效減小接觸面的接觸熱阻,這種方法在電子產(chǎn)品中最常見。
破環(huán)固體表面的層流邊界層,增加紊流度。由于固體壁面的速度為0,在壁面形成流動的邊界層,凹凸不規(guī)則的表面可以有效破壞壁面的層流邊界,增強對流換熱。
減小熱路的熱阻:因為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比較小,狹小空間內(nèi)的空氣容易形成熱阻塞,因此熱阻較大。如果在器件和機箱外殼間填充絕緣的導(dǎo)熱墊片,則熱阻勢必降低,有利于其散熱。
增加殼體內(nèi)外表面、散熱器表面等的發(fā)射率:對于一個密閉的自然對流的電子機箱,當(dāng)殼體內(nèi)外表面氧化處理比不氧化處理時元件的溫升平均下降10%。

電子熱設(shè)計中常用術(shù)語

熱阻:熱量在傳熱路徑上的阻力,即表示傳遞1W熱量所引起的溫升大小
熱沉:熱量經(jīng)傳熱路徑達到的最終位置
熱耗:器件正常運行時產(chǎn)生的熱量,熱耗小于器件輸入的功耗
接觸熱阻:在實際的電子散熱模擬中,由于兩個壁面的接觸只發(fā)生在某些點上,其余狹小空間均為空氣,由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小,在此傳熱路徑上會產(chǎn)生比較大的熱阻
流阻:反映系統(tǒng)流過某一通道或者某一系統(tǒng)時進出口所產(chǎn)生的靜壓差
導(dǎo)熱系數(shù):表示物體的導(dǎo)熱能力的物理參數(shù),主要是指單位時間內(nèi),單位長度溫度降低1度,單位面積導(dǎo)熱傳遞的熱量
對流換熱系數(shù):表示單位時間內(nèi),單位面積差為1度時流體固體之間所傳遞的熱量

ANSYS在電子產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用

電子封裝的熱設(shè)計

隨著電子產(chǎn)品向高集成、高性能和多功能方向發(fā)展,芯片的I/O 線越來越多,芯片的速度越來越快,功率也越來越大高,從而導(dǎo)致了一系列諸如器件溫度升高,功耗密度增大等問題。利用CAE技術(shù),可以對電子器件的性能進行預(yù)測,優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù),進而提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。下文是CFD仿真技術(shù)在解決電子封裝研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹:

芯片封裝內(nèi)部溫度分布分析
芯片封裝內(nèi)熱流路徑分析
芯片封裝后JEDEC標(biāo)準(zhǔn)下各項熱阻值仿真分析
考慮芯片封裝內(nèi)布線、過孔、金線、不均勻熱耗對溫度結(jié)果影響

散熱基礎(chǔ)知識簡介fluent培訓(xùn)的效果圖片1

芯片封裝在熱設(shè)計中需要考慮不同結(jié)構(gòu)的芯片封裝傳熱性能,以及為板級或系統(tǒng)級的熱分析提供芯片封裝模型。 ICEPAK軟件可以根據(jù)ECAD軟件信息直接生成芯片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型,便于工程師對芯片封裝的溫度分布預(yù)測及熱優(yōu)化設(shè)計。

電子設(shè)備的熱設(shè)計

電子設(shè)備是指由集成電路、晶體管、電子管等電子元器件組成,應(yīng)用電子技術(shù)(包括)軟件發(fā)揮作用的設(shè)備,如計算機/外設(shè)、工業(yè)電子設(shè)備、汽車電子設(shè)備、軍用電子設(shè)備、便攜式電子設(shè)備及新興電子設(shè)備等。

在電子設(shè)備的研發(fā)過程中常涉及到散熱、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多方面的工程問題。隨著現(xiàn)代CAE仿真技術(shù)的日趨成熟,企業(yè)完全可以將這種先進的研發(fā)手段與試驗和經(jīng)驗相結(jié)合,形成互補,從而提升研發(fā)設(shè)計能力,有效指導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計,節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。下文是CFD仿真技術(shù)在解決電子設(shè)備研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹:

電子設(shè)備的散熱分析,如電腦機箱的冷卻系統(tǒng)分析
電子設(shè)備的濕度分析,如機柜內(nèi)部的潮濕分析
電子設(shè)備內(nèi)部及外部的空氣流場分析,如機載電子設(shè)備的內(nèi)部及外部流場分析

散熱基礎(chǔ)知識簡介fluent圖片2

電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響其在市場競爭中的成敗。ANSYS專業(yè)熱分析軟件ICEPAK及流體動力學(xué)分析軟件FLUENT可以分析優(yōu)化電子設(shè)備的內(nèi)部布局,改善電子設(shè)備內(nèi)部的冷卻系統(tǒng),降低因溫升帶來的不利影響。

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