電子產品的散熱設計
Heat-dissipating Design of Electronic Products
摘 要: 隨著電子產品的復雜性提高，產品的發熱也隨之上升。對于現在的產品設計而言散熱已經成為一個挑戰，這是每個設計人員都必須面對的問題。本文就熱設計做以介紹。
關鍵詞: 熱設計、風扇、噪音、溫度測量
中圖分類號: TN306 文獻標識碼: B 文章編號: 1003-0107(2004)11-0046-03
Abstract: With the Electronic product power increase, the product surface temperature also increase. It have became a challenge for the designer, all of them must face it. This subject will introduce the thermal design.
Key words: Thermal design, FAN, acoustic, temperature measure
CLC number: TN306 Document code: B Article ID: 1003-0107(2004)11-0046-03
引言
隨著電子產品的發熱量越來越大，對于散熱就有了更大的挑戰。我們也從不需要散熱解決方案，到需要被動散熱解決方案，直至到現在的主動散熱解決方案。但是就便如此我們在使用主動散熱的時候還是存在著很多的困難，所以的這些都需要我們對熱設計進行更深入的研究，從而解決我們在產品設計中面臨的應用問題。下面就和大家一起討論熱設計。
春夏秋冬，我們生活的這個世界就是一個溫度交替變化的世界，根據環境溫度的不同，我們需要改變我們的衣服來保持體溫在某個范圍。但是電子產品則不通，他們只能被動適應環境溫度。但是電子產品又必須能夠適應某個溫度范圍，為此我們就需要來為一些溫度過高的芯片或者溫度過高的表面來散熱。
一. 熱設計的一般準則
熱設計的一般準則有如下一些：
A.在布局設計時，各個元件之間和元件與芯片之間，應盡可能保留空間以利于通風和散熱。
溫度規格低的元件勿靠近溫度規格高的元件。
B.預估有散熱問題的ICs和元件，應保留足夠的放置改善方案的空間。例如:ICs 的周圍不要有比其高的零件，以利于將來放置金屬散熱片來散熱。
C.發熱量大的元件（如CPU）和散熱模組，應盡量靠近PCB的邊緣，以降低熱阻。
D . 散熱模組和C P U 之間的介質（TIM: thermal interface material）對模組效率有很大的影響，應選擇熱阻低的材料，甚至采用相變材料。
E.散熱模組和散熱元件的接觸壓力，在規格容許之下應盡可能大，并確認兩接觸面接合完整，平整和均勻。
F.散熱模組中的本體部分不宜過小，并盡量加大和熱管接觸的面積，以利發熱芯片的熱可以傳導至散熱模組。
G.散熱模組中作為熱交換的鰭片，往和風流動垂直的方向加大，比往平行的方向上加大有效。
H. H/P 在壓扁和彎曲的使用上，有其限制應留意。
I.整體之流道設計，應避免產生回流之現象，以減低風阻和噪音。
J.模組的出口和系統的出風口之間的空隙，應制作封閉的流道，以免熱風倒流回系統中。
K.散熱通風設計大的開孔率，以大的長條孔替代小圓孔或綱目，以降低風阻和噪音。
L.風扇的入風孔形狀和大小，以及舌部和漸開線之設計，應特別留意。
風扇入風孔外應保留3~5mm 之內皆無阻礙。
二. 熱設計解決措施
1、熱設計基本知識散熱的解決方案：
A、被動散熱
如果使用被動散熱，那么散熱片應該足夠大以利于散熱。
散熱片的溫差應該盡可能小，否則對散熱性能有很大影響
B、主動散熱
空氣的進氣道和出氣道一定要明確定義，如果必要可以用物體來進行隔離。
空氣所通過散熱部位的長度要盡量短，以保證空氣的氣壓和流速不會降低太多。
盡量降低風扇的噪音。
設計時必須能夠導出部分從散熱器通過的熱空氣。
C、綜合散熱
散熱器進行熱交換散熱設計的主要因素：
散熱器、熱管、風扇、散熱界面材料、各組件間的組合I C a n d C o m p o n e n t
2、風扇的選擇：
風扇的結構：
轉子:由磁鐵、扇葉及軸組成定子:有硅鋼片、線圈及軸承組成控制電路:由IC 感應磁鐵N.S.極經由電路控制其線圈導通而產生內部激磁使轉子旋轉。
原理:
類型:軸流風扇、直流風扇選擇:
總體散熱需求
Q=Cp*m* Δ T = ρ *Cp*CFM* Δ T
系統總體阻力和系統特性曲線系統的工作點
并聯風扇和串聯風扇:
并聯風扇: 并聯的雙風扇風壓不變，但是風量會上升。風量加大故散熱效果增加，在設計中如果出現散熱功率太小則可以考慮增加風扇來解決。
串聯風扇:串聯風扇的結果是風壓增加，但是風量不變。次方式是不能解決散熱問題，一般是用在近風的阻力太大是采用，保證風量。
噪音等級
為了獲得低噪音必須注意以下幾點:
系統阻抗:空氣流動阻力會引起空氣的流動噪音產生。
氣流的紊流:由于流道的設計不良造成空氣的紊流會有高頻噪音出現，如果流道不改善很難有質的提高。
風扇的轉速和尺寸:風扇的轉速越快散熱效果越好，風扇的尺寸越大風量越大，散熱效果越好。風扇的轉速越高噪音越大，尺寸越大噪音越大。
溫度的上升: 溫度上升后溫差降低，則散熱效果降低。
振動: 振動會造成風扇的噪音上升，壽命降低以及轉速降低。
電壓波動:電壓波動會造成風扇轉速變化，使工作不穩定并且會產生額外的噪音。設計考慮:設計上的其它一些要求同樣也必須考慮進去，以保證散熱效果。
風扇：
1、風扇入風的距離：3～5mm的距離是必須的
3mm ——風扇的效能為80%
4mm ——風扇的效能為90%
5mm ——風扇的效能為100%
2、不同的進風口和出風口會引起氣流阻力的很大變化，當然出入口的開口越大越好。
3、不要在風扇的進風口附近放置阻隔物體（例如芯片和接口等），否則會減少風扇的空氣流量。
4、最好使用橡膠來固定風扇，而不是金屬螺絲，這樣可以避免振動。
5、風扇的空間設計
為了風扇的效率、噪音，必須保證扇葉和風扇外殼的距離為5～10mm。
W 的距離在可能的情況下越大越好，以保證足夠的效率。
風扇的扇葉必須靠近Tongue 以獲得比較好的效率。
三.熱設計
制作電子電路時，熱量是影響所有類型元器件的一個重要因素。為了避免過熱引起的元器件損壞，必須對熱量設計多加注意。商用半導體器件的結溫極限約為150oC。工作期間結溫越低，器件的可靠性就越高。可以通過使用散熱片、熱管和散熱風扇并在外殼上提供通風孔來保持器件工作在較低的結溫。同樣的方法也適用于電容、變壓器、線圈、電阻、繼電器和其它元器件。
設備工作時的環境溫度對元器件的熱應力有直接影響。環境溫度較高時，情況會惡化，因此設計時必須考慮到元器件最終使用時的環境溫度，實踐證明溫度會加速大多數半導體器件產生故障，大多數故障產生機制都與溫度有關，例如溫度上升10 度則壽命會減少一半，鑒于此我們設計時需特別注意器件最后實際工作溫度。某些器件過熱的共同原因是EOS和ESD。過熱必然導致器件的損壞，如燒焦、熔化、塑料封裝物的碳化等，為了避免這種損壞，器件必須在SOA內工作，并在設計上保證有足夠的防止ESD、EMI和過熱的保護措施。
在產品開發周期的初始設計階段就應重視熱量問題，此時控制熱量的成本最低。元器件的選擇應能滿足應用要求和工作溫度條件;采用篩選測試結果在耐熱方面具有良好特性的元器件; 對元器件參數進行足夠的減載運行;使得元器件不會在技術參數的極限值附近被損壞;確保用戶即使在最差的環境條件下，器件的結溫也不會超出極限值;必要時提供足夠的散熱裝置以保持器件溫度較低，并應在散熱裝置和發熱器件周圍保持通風;在必須連續工作的大功率設備中采用強制風冷;將半導體器件的結溫限制在125℃左右;熱量設計的目的是以最小的代價獲取最佳的制冷效果。
通常采用如下幾種方法避免過熱問題：
1. 熱敏感元器件（如半導體器件等）遠離熱源（大功率電阻、大功率晶體管等）。
2.保證良好的通風散熱，如安裝性能良好的散熱片，設置通風孔，必要時采用強制風冷，確保器件在其SOA范圍內工作，器件結溫在極限范圍之內等。
3.對器件熱性能指標減載運行，
通常80% 的減載對降低結溫和減少功耗較好。
4.用軟件對設計的電路板進行熱量仿真等。
四. 實際范例：
下面來以一實際設計中一個散熱模組在進行初期設計計算。芯片的發熱最大值為25W，芯片上方的散熱片熱阻為1.0℃/W，芯片的核心極限溫度為105℃，熱管的熱阻為0.14℃/W，散熱歧片的熱阻為1.1℃/W。確定空氣的進氣與出氣的溫度差為應該為多少合適？
由以上可知：
P=25W℃
Tj=105℃
Θ pipe=0.14
Θ pad =1.0
Θ fin =1.1
Tsys = ?
Θ j = (Tj-35-Tsys) / PT
sys = P* Θ +35-TjΘ = Θ pipe + Θ pad + Θ fin= 0.14 + 1.0 + 1.1= 2.24
Tsys = 105 - 25 * 2.24 - 35= 14
經過計算得出空氣的進氣與出氣溫度差必須在14℃以內，否則熱量將面臨散不出去的情況。對次則要重點考慮風扇的風量，在可能的情況下加大風量來盡量降低溫度差。
五、熱設計的檢驗：
溫升測試對于熱設計我們必須在后續的工作中來實際驗證，以確定各芯片的工作溫度都在正常范圍以內。
一般都是選取發熱量比較大的芯片和元器件來測試它的最大負荷的工作溫度，也就是看長時間滿載時的工作溫度狀況。在測試前由設計人員確定發熱量大的芯片和元器件，另外對于芯片的最高溫度點同樣要求提供（最高溫度點
可以用紅外線熱成相儀來確定，如下圖所示為一紅外線熱成相圖）。
溫度測量使用熱偶線，線長一般是選2米左右，把線頭的連接點放置于所要測量點的位置，并用膠帶固定（膠帶必須是耐高溫且高黏性的，以確保高溫不脫離和溫度測量數據的準確性。）;線材注意不能折，否則會影響測試精度;
結束語
一個成熟的熱設計可以為我們帶來一個可靠的產品，同時也為我們的使用創造舒適性。希望本文可以給大家的設計提供一些建議。
參考文獻
[1]. 《傳熱學》 美 J.P. 霍爾曼
[2]. 《溫度測量》 英 T.J. 奎恩
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