热设计规范-散热设计-Thermal

密级：企密AA QR-STA-017版本：A1研祥智能科技股份有限公司设计规范SJ-TM-SR-001A00热设计规范（共36页） 起草：审核：批准：研祥智能科技股份有限公司研发中心发布目次前言 热设计规范1范围本规范适用于EVOC所有产品的热设计。2规范性引用文件GJB/Z27电子设备可靠性热设计手册QJ1474电子设备热设计规范GB2423.2电工电子产品基本环境实验规程GB4943.1信息技术设备安全GJB/Z35元器件降额准则ISBN7-04-018918-9传热学第四版3定义和基本术语热特性：设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。热传导系数：表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负温度梯度下的导热量。单位：W/(m•℃)。对流换热：由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程，或是指流体流经固体壁面时的一种能量交换现象。自然对流：由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流。强迫对流：流体的运动由外力（泵、风机等）引起的对流。对流换热系数：反映两种介质对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1℃时，单位时间内通过单位面积的热量。单位：W/(m2•℃)。热辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式成为辐射，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。不同物体的热辐射能力与其表面的温度、粗糙程度、氧化程度、表面涂料等表面状态有关。黑度：表明物体的辐射力接近绝对黑体辐射力的程度。热阻：热量在热流路径上遇到的阻力,反应介质或介质间传热能力的大小,表明1W热量所引起的温升大小。热量传递过程中，温度差是过程的动力，好像电学中电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，用电阻的概念来理解导热过程的阻力，称为热阻。即R=△t/Q，单位：℃/W。接触热阻：两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。功耗：功率的损耗，指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。电路中通常指元器件耗散的热能功率，单位：W。热设计功耗：TDP：ThermalDesignPower，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到最大负荷时释放的热量，单位：W。热流密度：单位面积的热流量，单位：W/m2。流阻：流体流动的阻力，由于流体的粘性和固体边界的影响，使流体在流动过程中受到阻力，这种阻力称为流动阻力，可分为沿程阻力和局部阻力两种。沿程阻力：在边界沿程不变的区域，流体沿全部流程的摩擦阻力。局部阻力：在边界急剧变化的区域，如断面突然扩大或突然缩小，或弯头等局部位置，流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。层流与湍流（紊流）：层流指流体呈有规则的，有序的流动，换热系数小，流阻小；湍流指流体呈无规则，相互混杂的流动，换热系数大，流阻大。雷诺数(Re)：雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的大小之比，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。普朗特数(Pr)：普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。格拉晓夫数(Gr)：反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大，表面流体所受浮升力越大，流体的自然对流越强。努谢尔特数(Nu)：反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是说明对流换热强弱的一个相似准则。热点：元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。热点器件指单板上温度最高和较高的器件。通风机工作点：系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。温度稳定：当设备处于工作状态时，设备中发热元器件的表面温度每小时变化波动范围在±1℃内定性温度：确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。外部环境温度：自然冷却时指距离产品各主要表面80mm处的温度平均值；强迫风冷（使用风扇）时指距离空气入口80-200mm截面的温度平均值。机柜/箱表面温度：设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均值。温升：用△T表示，是元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。温度与温升的区别：温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；温升是指介质自身或介质间的温度变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质而言的，是一个相对概念。测温点：Tj：芯片发热结点的温度；Tc：芯片封装外壳表面的温度；Ts：散热器与发热元件相接触的底面温度；Ta：测试产品放置周围的环境温度；4产品热设计的基本原则1）进行产品的热设计应与硬件设计、PCB布局设计、结构设计同时进行，平衡热设计、结构设计、硬件设计、PCB布局的各种需求；2）热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准；3）热设计应满足产品的可靠性指标，以保证产品内部的元器件均能在设定的热环境中正常工作，并保证达到设定的MTBF指标；4）产品元器件的选型、安装位置与方式必须符合散热需求；5）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，以提高产品的可靠性；6）在进行热设计时，应考虑相应的设计冗余，以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加；7）热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热需求的前提下使其结构简单可靠、体积小、重量轻、成本低；8）散热物料的选型应优先选用公司相应优先库中已有的物料，杜绝重复设计。5产品的热设计流程完整的热设计过程包括系统散热方案的确定、详细分析设计、样机测试等过程，是一个反复修正，多次验证的闭环过程。如下面图1所示：开始开始了解产品的工作环境，包括室内或室外、工作温度、噪声要求等；确定产品外形尺寸、配置、总功耗、热敏器件和集中发热器件等。选择合适的冷却方式（根据热流密度、体积功率密度、集中发热器件情况，设备结构形式等）选择热设计方法热仿真1.建立仿真模型2.赋予属性和加载3.设置边界条件和求解域控制参数4.划分网格5.求解6.显示结果热计算在产品较简单，或产品内部热量分布较均匀的情况下，可直接进行热计算热测试或热模拟测试1.在设计改进时可直接进行热测试；2.在重要的设计中可用现有的相似产品或制作相似产品来进行模拟测试。热设计结果自然对流：1.进出风开孔的位置，大小，开孔率；2.散热器的选型或优化结果；强迫对流：1.选择的风扇型号，数量，安装位置；2.进出风开孔的位置，大小，开孔率；3.散热器的选型或优化结果；4.其他：风道设计，布局等。样机制作与测试结束是否满足要求？否是图1热设计流程框图在产品研发的各个不同阶段，热设计工作如下：5.1项目启动阶段确认产品的使用环境和安装情况、用户对产品噪声的要求、用户对散热方式的要求及本公司、其它公司同类产品的散热设计与效果等。确定产品的外形尺寸、配置情况、总功耗及各部分的功耗、功耗较大的重点单板（器件）位置。确认主要发热芯片、元器件的功耗和规格温度。根据热流密度、体积功率密度设备结构形式等评估散热的可行性。5.2方案设计阶段通过较详细的热计算或热仿真，提出热设计方案，包括确定系统的冷却方式（自然冷却、强迫风冷或其它）；确定风道、选择风机的型号、数量及布置；对防尘网、导风板、隔热板、通风网板的设计提出要求；对元器件的选型提出要求；对PCB布局和系统中单板及元器件的布局提出要求等。必要时，还需要对重点元器件和重点区域进行热模拟实验。通过项目组方案评审并输出《整机散热方案设计书》或《板卡散热方案设计书》。5.3样机设计阶段在样机设计阶段进行详细分析设计，硬件工程师要满足热设计方案中对单板和元器件布局提出的要求，且要提供重点元器件（芯片）的资料以及相应的功耗信息；热设计工程师要具体体现热设计方案的要求，此外，还要根据具体的元器件（芯片）情况，做散热器选型和优化，风扇选型和安装位置，通风孔的位置和开孔率等工作。5.4样机制作、调试和测试阶段对前面的热设计方案结合样机实物进行验证，检验和总结等工作，并根据测试结果，提交热测试报告，对热设计做出进一步改进和验证。5.5试产阶段将最终改进好的热设计方案导入产品试产，使其工程化，受控相应的设计资料，分析和总结热设计过程中的经验和教训，并最终完成产品的热设计工作。6单板产品的热设计6.1PCB热特性PCB是由FR4和铜箔组成的分层复合结构，FR4导热系数0.3W/(m•K)，铜导热系数380W/(m•K)。由于Cu与基材导热性能的差异，多层PCB基板导热特性为各向异性，整体的导热系数是各向异性的，相似的材料如石墨、木材。在PCB平面XY方向导热系数高，一般范围在10～45W/(m•K)，在PCB法线Z方向导热系数很低，约0.3W/(m•K)。如下面图2所示。图2PCB分层复合结构6.2PCB散热不考虑外部条件，PCB只能通过提高自身内部导热率来改善PCB散热，使PCB尽量温度均匀。针对PCB的热特性，PCB优化散热的思路为：把器件的热量传递到PCB内部，减少器件向PCB的传热热阻，可采取的强化散热措施是：1)在单板上打散热过孔，改善层与层之间的热连接以及增加法线Z方向上的导热能力,降低器件与PCB之间的传热热阻。单考虑散热过孔是没有意义的，因为热量必须从四周汇集到过孔的位置，因此必须考虑散热过孔区域整体的传热情况。2)在单板表面铺铜皮。如下面图3所示。图3PCB铺铜皮和打散热过孔示意图把PCB一点积聚的热量（从器件传入的）扩散到整体PCB的表面，再通过对流和辐射传递到外界环境中，可采取的板级强化散热措施是：增加铜箔密度，降低热量在单板平面XY方向传递的扩展热阻。6.3器件布局原则（1）基本原则1）发热器件应尽可能分散布置，使得单板表面热耗均匀，有利于散热。2）不要使热敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置，使得热敏感器件远离高温发热器件，常见的热敏感的器件包括晶振、内存、CPU等。3）要把热敏感元器件安排在最冷区域。对自然对流冷却产品，如果外壳密封，要把热敏感器件置于底部，其它元器件置于上部；如果外壳不密封，要把热敏感器件置于冷空气的入口处。对强迫对流冷却设备，可以把热敏感元器件置于气流入口处。如下面图4所示。图4PCB上器件布局优化对比示意图（2）强迫风冷的器件布局原则1)参考板内流速分布特点进行器件布局设计，在特定风道内面积较大的单板表面流速不可避免存在不均匀问题，流速大的区域有利于散热，充分考虑这一因素进行布局设计将会使单板获得较优良的散热设计。2）对于通过PWB散热的器件，由于依靠的是PWB的整体面积来散热，因此即使器件处于局部风速低的区域内，也并不一定会有散热问题，在进行充分热分析验证的基础上，没有必要片面要求单板表面风速均匀。3)当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时，器件尽量沿着气流方向错列布置，可以降低上下游器件相互间的影响。如无法交错排列，也需要避免将高大的元器件（结构件等）放在高发热元器件的上方。如下面图5和图6所示。图5优化前布局图6优化后布局4）对于安装散热器的器件，空气流经该器件时会产生绕流，对该器件两侧的器件会起到换热系数强化作用；对该器件下游的器件，换热系数可能会加强，也可能会减弱，因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别关注。5）注意单板风阻均匀化的问题，单板上器件尽量分散均匀布置，避免沿风道方向留有较大的空域，从而影响单板元器件的整体散热效果。如下面图7所示。不良布局改进后布局图7单板风阻均匀化示意图7整机产品的热设计7.1冷却方式的选择在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满足散热要求时，才考虑其它冷却。选择冷却方法时，主要考虑下列因素：产品的热流密度、体积功率密度及温升等。一般地说，热流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷却方式；热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超过0.18W/cm3，须采用强迫风冷方式。当然，应用上述这个判据是有前提的：一是上述方法是假设热量均匀分布在整个产品的体积中；二是产品内的热量能充分地传到产品表面。温升为40℃时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如下面图8和图9所示。图8热流密度图9体积功率密度冷却方法可以根据热流密度与温升要求，按下面图10选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。图10不同冷却方式的温升对比7.2自然冷却计算自然冷却机箱（柜）的散热主要是通过表面辐射散热和空气自然对流换热两种形式。一般地说，机柜（机箱）的外表面可看作自然对流的扩展表面，如果热源与机柜（机箱）有导热连接，可能导致表面温度升高，对操作人员造成不舒适的工作环境，因此，涉及到人机结合操作界面的机柜（机箱）其表面温度不得高出周围环境15℃。7.2.1机箱（柜）表面辐射散热辐射散热的大小与表面温度、形状、表面粗糙度、材料、涂层和颜色等因素有关，即：Q1=εAσ(T14-T24)其中，Q1辐射散热量，Wε散热表面的黑度A散热表面面积，m2σ玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2•K4)T1散热表面温度，KT2环境温度，K7.2.2机箱（柜）表面自然对流散热对在海平面任意方向尺寸小于600mm的机箱（柜），表面的自然对流换热可以用下列简化公式计算：Q2=2.5CA△t1.25/D0.25其中，Q2表面自然对流散热量，WC系数，水平板时，热面朝上为0.54，朝下为0.27；竖平板时为0.59A散热面积，m2△t换热表面与流体（空气）的温差，℃D特征尺寸，对于竖平板或竖圆柱，特征尺寸为高度H，其它，为（长+宽）/2，m7.2.3机箱的开孔设计当Q1+Q2小于机箱（柜）的总功耗时，必须在机箱（柜）上开通风孔，使冷空气从机箱（柜）的底部进入，热空气从顶部排出。通风孔的面积为：S=(Q-Q1-Q2)/2.4×10-3H0.5△t1.5其中，S进（出）风口面积，cm2Q机箱（柜）总功耗，WH机箱（柜）的高度，cm△t机箱（柜）的温升，℃小机箱的通风孔面积可从下面图11查得：通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风孔应开在机箱侧上端接近顶板处，以形成烟囱效应。图11机箱通风面积与耗散功率对照图7.2.4自然对流散热器的设计应用散热器，其实质是通过散热器与冷却流体的接触来增大有效散热面积。在自然对流状态下，散热器的肋片应尽量垂直于水平面。自然冷却用散热器其肋片间距应比强迫对流时的大，此外，肋片间距还与散热器的长度有关，下面表1可以作为参考：表1：散热器肋片长度与间距设计参考表气流状况肋片长度75mm150mm225mm300mm自然对流6.5mm7.5mm10mm13mm1.0m/s4.0mm5.0mm6.0mm7.0mm2.5m/s2.5mm3.3mm4.0mm5.0mm5.0m/s2.0mm2.5mm3.0mm3.5mm散热器性能与垂直气流方向的宽度成正比，与气流方向长度的平方根成正比，所以增加散热器宽度的效果要好于增加长度；另外,型材散热器的肋片表面增加波纹可以增加10%到20%的散热能力；最后，在自然对流情况下,辐射热传递作用较突出,辐射热传递可以提高25%的散热量,所以,除非是器件附近有高热源,散热器表面都应涂覆或氧化处理以提高辐射性能。当然，我们也可以定量地优化散热器的设计，这在下面将讨论到。散热器的自然对流散热可以按下式简化计算：Q=hcA△thc=1.07×10-4(△t/L)0.25其中，Q散热器对流散热量，卡/秒（1卡/秒=4.18W）hc对流换热系数，卡/秒cm2•℃A散热器散热面积，cm2△t散热器表面温度与环境温度之差，℃L散热器的特征长度，等于肋片的长度，cm7.2.5自然冷却设计其它应注意的问题（1）自然冷却时，设备内部的主要传热方式应采用导热，尽量减小发热器件到机壳的传导热阻，尽量不采用辐射作为主要的传热方式，因为大量的辐射传热需要很大的温差，且由于辐射能量的散射，控制热流通路比较困难；另外，要加强内部空气对流（借助风机）；（2）对于完全密封，且为自然散热，在保证将内部热量充分传导到外壳的前提下，考虑增加机壳表面积，例如，如果采用压铸件，可以将外壳表面设计成象散热器那样的肋片，以增加自然对流换热面积；也需要考虑使辐射散热尽可能大，如增加散热外表面的粗糙度、发黑处理等；（3）采用隔热板进行屏蔽隔离时，一般采用黑度低、表面光洁度高的材料做隔热板；（4）自然冷却时，不管采用何种冷却系统，都应保证内部热流不会使设备外表面的温度上升到人所不能忍受的程度；如果需要将热量引到外壳上，最好不要在正面需要经常接触的地方，而是侧面或背面上。7.3强迫风冷计算一般地，当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超过0.18W/cm3时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需采用强迫风冷散热。机箱（柜）的表面辐射散热、表面自然对流散热和机箱的开孔设计见前面的自然冷却。7.3.1强迫对流换热计算Q=hcAΔt其中：Q--强迫对流的换热量，WA--散热表面面积(m2)，若散热体为印制板，则散热表面积为1.3倍的单面面积，因为背面散热量大约为前面的30%。Δt--风道内主器件表面温度与机箱内温度之差℃。hc--对流换热系数，与风道尺寸形状有关。hc可按下面计算：准则方程雷诺数Re的计算公式为：Re=ρvD/μ其中，ρ--流体的密度，kg/m3；v--流体流速，m/s；μ--流体动力粘度，Pa•s；D--特征尺寸，m。强迫对流换热准则方程见下面表2：表2：强迫对流换热方程换热表面形状Re范围流态准则方程特征尺寸管内流动<2200>104层流紊流Nu=1.86(RePrD/l)1/3(μl/μw)0.14Nu=0.023Re0.8Pr0.4其中，D--特征尺寸，m；l--管长，m；μl--平均温度下流体的动力粘度，Pa；μw--壁温下流体的动力粘度，Pa内径或当量直径沿平板流动(或平行柱体流动）<105>105层流紊流Nu=0.66Re0.5Nu=0.032Re0.3沿流动方向长度而努谢尔特数Nu为：Nu=hcD/λ其中，hc--对流换热系数，W/(m2•℃)；D--特征尺寸，m；λ--流体的导热系数，W/(m•℃)；2)hc=JCpGPr-2/3其中，Cp--定压空气比热容，J/(kg•℃)G--通道的单位面积的质量流量，kg/(m2•s)Pr--普朗特数J--考尔本数，取决于雷诺数Re及通风道结构尺寸与形状。当200≤Re≤1800，风道为矩形，长宽比≥8时：J=6/(Re0.98)风道为正方形时：J=2.7/(Re0.95)当104≤Re≤1.3×105，紊流时：J=0.23/(Re0.2)当400≤Re≤1500，通道为扁平肋片式冷板时：J=0.72/(Re0.7)上面，单位面积的质量流量G=qm/A，其中qm为质量流量，A为通风道横截面积。qm=Ф/(Cp△t)=ρqv其中，Φ--热流量，Wρ--空气密度，kg/m3qv--体积流量，m3/s7.3.2芯片散热器的设计对于功耗较大的芯片，即使在强迫对流的情况下，也需要加散热器。下面的方法适用于散热器的设计：（1）散热器总热阻：θja=θjc+θcs+θsa或(Tj-Ta)/P=θjc+θcs+θsa上面，单位面积的质量流量G=qm/A，其中qm为质量流量，A为通风道横截面积。其中：P—半导体器件耗散功率，WTa—环境温度,℃Tj—半导体器件结温,℃θja—总热阻，℃/Wθjc—半导体器件内热阻，即结到壳的热阻，℃/W；θcs—半导体器件与散热器之间介质的接触热阻，即壳到散热器的热阻，℃/W；θsa—散热器热阻，即散热器到周围环境空气的热阻；（2）上式中，结温Tj和芯片内热阻θjc可由芯片资料查到；接触热阻θcs根据实际情况，一般为0~1℃/W；（3）散热器热阻θsa=1/hcSη其中，hc--对流换热系数，W/(m2•℃)；S--散热器的总散热面积，m2；η--散热器的效率；（4）散热器散热面积S=n•Sf其中，n--散热器肋片数；Sf--散热器每肋片表面积。又：Sf=Hf’•Lf其中，肋片计算高度Hf’=Hf+0.5tf；肋片计算长度Lf’=2×(L+tf)；Hf--散热器肋片高度，mTf--散热器肋片厚度，mL--散热器肋片长度，m（5）散热器的效率η=tanh(φ•Hf’)/(φ•Hf’)其中，φ2=hcLf’/KSffhc--对流换热系数，W/(m2•℃)Lf’--肋片计算长度K--散热器的导热系数Sff=L×tfHf--为同上边计算高度；注意：①一般情况下，固定在散热器上的芯片散热面面积较散热器底座面积要小，实质上此处有传导热阻，散热器底座与芯片接触的部分要有良好的平整度，以免产生额外的接触热阻；②上述计算中认为散热器材料是理想导热材料，散热器中不存在温差；③上述计算是以强迫对流为例，实质上也适用于自然散热，只不过此时的换热系数要用自然对流情况下的。7.3.3风扇的选择计算(1)直流风扇的分类有轴流（Axial）、离心（Radial）、混流（Mixed-flow）三种。轴流风扇：特点是风量大、风压低，风量风压曲线中间的平坦转折区为轴流风扇特有的不稳定工作区，一般要避免风扇工作在该区域。最佳工作区在低风压、大流量的位置。如果散热片的流阻比较大，也可以利用高风压、低流量的工作区，但要注意风量是否达到设计值。离心风扇：风扇的进风和出风的方向垂直，其特点为风压大、风量低，最好工作在曲线中压力较高的区域，即高风压、低风量。混流风扇：其特点介于轴流和离心之间，风扇的出风和进风的方向有一定的倾斜角度，风量可以立即扩散到散热片的各个角落，而且风压与风量都比较大，但风扇HUB直径较大，正对HUB的部分风速很低，回流比较严重，比较适用于嵌入式风扇的散热模组。如下面图12所示的三种风扇的PQ曲线图：图12三种风扇的PQ曲线图(2)风扇的特性风扇的风量风压特性曲线决定风扇的性能和使用特性，从曲线可以看出，要使风扇的风量越大，其产生的静压就越小，用于克服风道阻力的能力就越小，如下面图13所示的PQ曲线图。图13风扇PQ曲线图(3)系统阻力特性与风扇工作点的确定风扇的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。如下面图14中所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别代表不同系统（风道）的特性曲线。系统（风道）阻力特性曲线与通风机的特性曲线交点就是这个风扇的工作点。如风扇与系统Ⅱ的配合，其工作点就是B点，风量为qvB(m3/s),风压为PB(Pa)。图14系统阻力与风扇PQ曲线交汇图(4)风扇的选择选择风机时要考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（或风道）阻力特性、应用环境条件、噪声要求、体积、重量以及风扇电源线的传导发射等，其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。当要求风量大、风压低、噪音小的设备，尽量采用轴流式风机，反之选用离心式风机。风机类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。强迫冷却所需的风量计算：Q=W/(Cp×△t×ρ)其中，Q--风量，m3/s；W--功耗，W；Cp--空气定压比热，J/(kg•℃)；△t--系统内温度与环境温度之差，℃；ρ--空气密度，kg/m3。静压损失Pi的计算：风机向机箱内吹风或抽风，气流通过不同的狭窄风道产生摩擦力和静压损失，使风压降低、风速减小。静压损失分为沿程压力损失和局部压力损失，一般地，可根据风道的形状做出估算。通常将静压损失数称为速度头。Pi=α(Vi/1277)2其中，Pi--静压损失（或速度头），厘米水柱；α--为一系数，按空气流经不同的风道估算，见下面表3所示；Vi--风速，cm/s。风速Vi=Q/Ai其中，Q--风量，cm3/s；Ai--风道的截面积，cm2。表3：静压损失系数对照表风道情况空气的进出口防尘网进出风机90℃拐弯进入锲型通道系数α1.01.01.0~1.52.00.5(5)风扇的串联和并联当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可采用串联或并联工作方式来满足要求。当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联工作方式，以提高其工作压力。通风机串联时，其工作特性发生变化：风量基本上是每台通风机的风量（略有增加），而风压则为相同风量下两台通风机风压相加，风压增加，如下面图15中a所示。当通风机并联使用时，其风压比单个通风机的风压稍有提高，而总的风量是各通风机风量之和，如下面图15中b所示。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。并联系统的优点是气流路径短，阻力损失小，气流分布比较均匀，但效率低。图15风扇串并联参数变化图(6)风扇的安装位置强迫冷却分为吹风和抽风，吹风时，机箱内的压力为正压，好处是灰尘不易沿机箱的缝隙进入，且风量集中，风压大，适用于热量分布不均匀，需要专门风道，风阻大的整机；坏处是风扇的电机产生的热量也被冷空气带入机箱，影响散热效果，另外，对于非密封设备，还有漏风现象。抽风时，机箱内的压力为负压，好处是风扇电机的热量不会进入机箱内，而且还可以从机箱的其它缝隙中抽入一部分冷空气，提高冷却效果，且风量大、风压小，适用于热耗分布比较分散的整机；坏处是灰尘容易从四周缝隙进入机箱。风扇的安放位置一般应在气流的下游，这样气流速度分布较好，冷却效果也好。7.3.4强迫风冷设计应注意的其它问题(1)在机柜(机箱)设计中，为避免层与层之间的热影响，层与层之间应加隔热层板，隔热层板应向后上方倾斜，以兼起导风板的作用；（2）进出风口的开孔率应尽可能大，建议大于50%；（3）空气应自机柜（箱）的下部向上部循环，应采用专用的进、排风孔。进风孔应设置在机柜（箱）下侧或底部，但不要过低，以免污物和水进入安装在地面的机柜（箱）内，紧靠的系列机柜的进风孔应开在机柜的前下侧；排风孔应设置在机柜（箱）的顶部，但不要直接开在顶面上，以免外部物质或水滴落如机柜，上端边缘应是首先选择的位置；（4）底板、屏蔽板、隔热板、PCB板和电缆的位置应使气流畅通，不要阻断或妨碍空气流动；（5）风扇要便于维修、更换，当有多个风扇时，最好将每个风扇做成一个单独的插箱，以便更换、维修坏了的风扇时，不影响系统的散热；防尘网要能方便地抽出清洗；（6）轴流风扇的出风口位置离发热器件的距离不要太近，最好大于D/2，其中D为风扇的外形尺寸；进风口处的防尘网离风扇的位置也要大于D/2；（7）在强迫风冷时，特别要注意风道，不要出现气流回旋、短路等现象；（8）在插箱（子架）中，当有空槽位，需要装假面板时，不能只在外面装一个假面板了事，建议在假面板上装一块相同大小的金属板来代替原来的PCB板，且该金属板上要折弯，以不使空气从阻力最小的地方跑掉，而是强迫它流向有PCB的地方。这里要注意不要使风道的阻力太大。8导热填充介质的使用当两个名义上平的固体表面相互接触时，实际上固体对固体的接触仅仅发生在一些离散的接触面积上，如下面图16所示。当这些离散接触面之外的间隙空间为真空时，这部分空间产生的是非常小的辐射换热。当这些间隙充满流体（空气）时，由于间隙薄且界面温差小，对流难于实现，所以对流换热可以忽略不计，热量将以导热方式穿过这层流体。因此两固体平面接触面之间形成了一种额外的附加热阻接触热阻。两个导热接触面之间必须填放导热填充介质来减小热传导路径中的接触热阻，下面根据不同应用情况分类说明。图16两固体平面接触面放大图8.1导热间隙填充材料也称导热垫片，此类物料为片状，压缩性较好，有不同规格的厚度，如0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，3.0mm等等，适用于两个固体平面之间有明显间隙情况（即两个平面没有完全贴紧，有设计上的距离存在）下的距离补偿上的填充。目前公司常用材料有PK404。8.2导热双面胶带粘贴强度高，热阻抗较大，适用于低发热量，较大封装平面外形的热源搭配小散热片的粘贴固定，选择这种导热材料不便于散热片的反复拆装。目前公司常用材料有3M8810,T411等。8.3导热相变化材料此类物料常温下呈固态，具有一定粘性，当其所处元器件表面的工作温度达到45～58℃时会软化，并逐渐融化成类似液体的状态填充在散热片与元器件之间的间隙内，当元器件停止工作后，散热片和元器件表面温度逐渐降低，此时又会恢复至固态。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，此类物料在相变过程中会吸收或释放大量的潜热，所以其特点是热阻抗小，导热效果好，有较强的粘性，不便于散热片的反复拆装。目前公司常用材料有T557。8.4导热膏一般为硅脂类混合物，呈膏状，具有流动性，主要由高分子聚合物和填料组成，实际应用中为了提高其导热能力通常在其中添加一些导热优良的金属粉末成分。此类物料适用于两个锁合在一起，完全贴紧，且有相互作用力的固体平面之间做导热填充，生产操作上需要均匀涂刷，随着产品的长时间使用易干滞，结合面边缘易附着灰尘，散热片拆卸后需要擦净结合面上的残留物和污渍，涂刷新的导热膏后才可以将散热片再重新装回。目前公司常用材料有T670、G3380B等。8.5导热凝胶此类物料类似泥状，不流动，可兼顾两个结合平面之间的微小间隙填充，适用于两个贴紧面之间做导热填充。目前公司常用材料有T652、PUTTY2等。9热仿真电子设备热仿真软件是基于计算传热学技术（NTS）和计算流体力学技术（CFD），发展形成的电子设备散热设计辅助分析软件。它可以帮助热设计工程师验证和优化热设计方案，满足产品快速开发的需要，并可以显著降低产品验证过程中热测试的工作量。热仿真技术的主要思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如温度场、速度场、压力场等，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后通过计算机数值计算来求解代数方程组，并获得这些场变量的近似值。我司常用的热仿真软件为Flotherm、Icepak。备注：下文中关于仿真软件操作均是以Flotherm作为举例说明。9.1热仿真分析过程LOTHERM通过建立基于实体的简化模型，以有限体积法划分网格单元，采用计算流体力学和计算传热学求解技术，通过流体方程和传热方程的迭代，求解出整个模型系统中的流场、温度场数据。其基本步骤为如下面图17所示。建模：赋予属性和加载建模：赋予属性和加载设定边界条件和求解域参数划分网格求解后处理图17热仿真步骤图9.2建模建模是热仿真的第一步，也是至关重要的一步，其必须遵循的原则是：在依据实体的基础上，忽略不必要的细节以取得简化模型，且简化模型必须能够反应实体在系统中的流场状况而不至于造成较大偏差。如单板上接插件的排布在与风向平行时可以不考虑其风阻，但在接插件垂直于风向，相比与整体结构尺寸偏大时，则此影响就不可以忽略。下面针对我司产品在热仿真过程中常用到的模型逐一介绍。PCB板：PCB板的建模方法有两种，如下面图18所示。详细模型：适用于单板、互连或考虑PCB板过孔、局部铜箔等优化散热情况。需要详细建每一层CU和FR4的模型，叠加起来成为一块完整的PCB模型。以一块厚度1.6mm的8层板为例：8层铜，每层铜厚度1OZ，铜导热系数380W/（m•K）；7层FR4，每层FR4厚度一般不等，FR4导热系数0.25-0.3W/（m•K）。简单模型：适用于系统级仿真分析，使用FLOTHERM软件里面的PCB模型或者是各向异性导热系数的Cubiod模型。PCB模型可以设置层数，含铜量来计算出各方向的导热系数。如果需要考虑辐射散热，PCB的发射率可设置为0.9。图18PCB模型的简化散热器：散热器建模方法有两种，如下面图19所示。简单模型：FIN部分采用流阻模型代替，主要应用于系统阻力优化等，极大地降低网格数量，提高仿真效率。详细模型：需要建FIN的具体模型。图19散热器模型材料设置：AL6063-T5的导热系数:205W/(m•K)，CU1100的导热系数：380W/(m•K)。如果需要考虑辐射散热，散热器的发射率可设置为0.8~0.85。在散热器设计时，需要考虑充许的尺寸大小、散热器的热阻、压降、冷却风流量等，必要时可以利用CommandCenter来优化设计。热管：热管有复杂的相变过程，在FLOTHERM中热管是用立方体建模而不是圆柱，首先需要计算相当的热管表面积。热管截面正方形边长等于:D为热管直径常用热管建模方法有三种，在FLOTHERM7.1以前版本只能使用前两种方法建模。采用各向异性材料：轴向导热系数设置为：15000-30000W/(m•K)；径向导热系数设置为：380W/(m•K)。详细模型：CuWall：厚度等于热管壁厚，K=380w/(m•K)；Vapor：尺寸等于热管内部尺寸，K=50000w/(m•K)；Wick：压缩模型，厚度1mm，位于CuWall和Vapor之间，K=40w/(m•K)；Interface：压缩模型，位有CuWall和其他接触物体之间。热管Smartpart模型在FLOTHERM7.1以后版本的建模方法，使用起来比较方便，如下面图20所示。要求输入热管有效热阻以及最大热流量；考虑热管与散热器的接触热阻,可以通过在热管网络立方体(NetworkCuboid)上添加Surface属性。图20嵌入热管的散热器模型在利用热管仿真时，应注意检查热管冷端和热端的温差△T，在正常条件下△T=3~5度比较合理，同时需要考虑热管和元件接触方式、打扁、折弯等对散热的影响。风扇：我司常用的风扇有轴流风扇和离心风扇，这两种类型风扇的建模方法差别很大。轴流风扇建模：图213D4Facets图223D8Facets图233D12Facets在FLOTHERM仿真分析中，轴流风扇常用的模型如上面图21、22、23所示，Facets越多，越接近真实的轴流风扇，另一方面带来的是网格数量急剧增加，质量变差。综合这两方面因素，在仿真分析时优先使用3D8Facets风扇模型。特别需要注意：当风扇工作点较高，出口风压较大；器件排布不规则或者是关键器件离风扇较近时，一定要选择Swirl选项，考虑风扇出口空气旋转对散热的影响，如图24所示。图24风扇出口离心风扇建模：离心风扇的建模相对比较复杂，也比较难收敛。在复杂系统中通常会用简化的模型来代替。如下面图25中所示的风扇流动方式。详细离心风扇模型：在FLOTHERM6.1以后版本采用，需要采用RecirculationDevice进行离心风扇的建模，如下图所示。在RecirculationDevice模型中可以定义离心风扇的PQ曲线，不同的出口流场形式；但离心风扇进出口的形状和尺寸，需要利用Cuboid、Prism、Cylinder等模型来构建。图25离心风扇风的流动方式简化离心风扇模型在很多复杂系统中，常常用简化的离心风扇模型代替详细离心风扇模型，如下面图26所示。图26离心风扇模型的简化2DFanout2DFanout简化离心风扇模型，主要有三部分组成：1、风扇框及风扇入风口结构；2、2D进风风扇，流量设定：Q=Q离，压力设定：P=1/2P离；3、2D出风风扇，流量设定：Q=Q离，压力设定：P=1/2P离。当系统中含离心风扇时，注意将FanRelaxation设为0.4~0.7，否则容易发散。在笔记本散热仿真分析，一般壳体温度最高值会出现在离心风扇和热交换器区域，这时需要考虑风扇的功耗对C、D表面温度的影响。BGA芯片：BGA芯片的结构相当复杂，要想获得准确的仿真结果，既要了解芯片的散热结构，又必须对其进行合理的简化。以MeromCPU为例，简化后的主要组成如下面图27所示，不同型号的CPU，大同小异，与散热相关的组成、材质差异不大，区别在于Die的尺寸，热源的尺寸、大小及位置、分布。在很多情况下，热源的热量不是均匀分布且差异很大时，需要细化热源，因为局部热源密度会影响TjMax，从而影响我们仿真结果的准确性。图27芯片模型在FLOTHERM仿真分析中，关键是定义与散热相关的各组成的尺寸、材料属性等。下面表4为MeromCPUFLOTHERM模型的尺寸及材料属性，建模时可以作为参考。表4：CPU建模材料属性参照表ElementFlothermModelingDimensionsX,Y,Z(mm)ThermalAttributesKx,y,z(W/mK)DieBlock13.8×10.5×0.79K=120,120,120SourcePlanarSource6.4×8C4-dieattachBlock(planar)13.8×10.5×0.079K=0.22,0.27,12.6SubstrateBlock35×35×1.178K=81.2,81.2,0.88Socket+pins(forPGA)Block35×35×2.47K=0.38,0.38,0.98BGABlock35×35×0.66K=0.04,0.04,8.2Airblock(notshown)Block19×19×3.13K=0.026,0.026,0.026内存：内存条结构也是相当复杂，有直插、斜插、平插各种类型，主要包括内存颗粒、PCB板、内存连接器组成，如下面图28所示。FLOTHERM建模时，内存颗粒采用双热阻模型，常用小内存颗粒尺寸12.4×11.9×1.0，Rjc=3，Rjb=21，内存颗粒的平均功耗0.2-0.3W。内存PCB的导热系数平面方向为32W/mk，垂直方向为0.33W/mk，中间部分连接器，长度方向导热系数为0.1W/mk，其他两个方向导热系数8W/mk，两侧连接器，长度方向导热系数为0.1W/mk，他两个方向导热系数3.5W/mk。图28内存条模型导热膏/垫：导热膏、导热垫是用来降低散热器和芯片之间的接触热阻，但本身也有热阻，在仿真分析中需要考虑，特别是在Die较小，功耗高的情况。导热膏建模时，可采用CollapseCuboid模型，但需注意不能被散热器等其他物体覆盖，目前我司常用导热膏的导热系数在2-6W/mk。多孔板、流阻：多孔板和流阻模型在整机或系统仿真中经常会用到，这两个模型会影响到系统的阻力、风量、风压，直接影响仿真结果的准确性。如果进出风口、风扇隔层的通孔比较规则，可以采用多孔板模型，该相对比较简单，只要选择开孔的类型、孔间距，FLOTHERM会自动计算出开孔率和压力损失。流阻模型分为平面流阻和体流阻，平面流阻主要用于无规则形状或网状等进出风口，体流阻主要用于防尘网等需要考虑厚度的流动阻力，或者是用于散热器、电源模块内部的阻力设定。在流体流动速度方面带有一点角度时，尽量使用体积阻尼。壳体：整机仿真分析中，机壳的建模也是非常关键的，壳体常用的材料有普通刚、塑料、铝、镁铝合金等，它们导热系数分别为40W/mk、0.2-0.25W/mk、280W/mk、71W/mk。在强制对流系统内，通过壳体散走的热量可以忽略不及，不需要考虑辐射模型，壳体可以建成没有壁厚模型，可以减少计算网格。在自然对流或密闭整机系统中，或者是特别需要关注壳体表面温度时，必须考虑壳体的厚度，Collaspsed及Thin壳体模型，不能参与辐射计算。其他：其他一些常用模型包括HDD、CD、DVD、电池等，在系统中占有的空间比较大，但相对功耗较小。这些模型材料属性、热源位置、大小都很难确认，在仿真分析中，应从供应商获得相关资料，按着资料来建模，如果没有任何资料，可以参考以下简化模型。HDD、CD、DVD导热系数10W/mk，发射率0.8，仿真时CD、DVD可以不设定功耗，小硬盘的功耗2W左右，大硬盘功耗在10W以内，因为这些设备测试时都不会满负载运行。电池导热系数10W/mk，发射率0.9，功耗1.5W。实际上，一个系统中除了CPU、南北桥芯片、内存等大功耗期间外，还会有许多小功耗器件，比如电感、电阻、晶振等，仿真时这部分器件不可能一一建模，但需要把这部分器件的功耗均布到PCB板上，保证系统功耗的准确9.3设定边界条件和求解域在热仿真分析过程中，求解域的设定十分重要。求解域过大，势必增加网格数量，延长计算时间；求解域过小，会忽略外围因素的影响，造成很大的计算误差。一般情况下，强制对流可以不放大求解域，但在下列场合必须放大求解域：自然对流换热系统，如下面图29所示。封闭系统外部边界条件对内部影响较大的情况图29自然对流散热系统求解域放大原则其中，在自然对流系统中，当重力方向和水平方向尺寸差别不大时，重力反方向放大2倍；除重力方向外，其余方向各放大一倍。9.4参数的输入对于热仿真而言，模型是仿真计算及后处理结果的载体，各个模型及环境的输入参数是保证仿真计算准确性的重要前提，也是仿真计算的依据。热仿真的输入参数包括环境参数、实体模型的材料参数、导热填充介质的参数、风扇流体参数、热源功率参数、特定仿真模型的参数等几大部分。(1)环境参数:前面所述计算域的设置也是环境参数的一部分，除此之外还要输入六个面的属性、环境温度、重力方向、大气压等。(2)实体模型的材料参数:对热设计有直接影响的实体模型，如散热片、热设计方案所含盖的发热元器件、导热块、密闭整机外壳等要输入确切的材料参数。这个环节可以充分运用仿真软件本身已有的材料库，材料库中没有的再另外设置传热学参数。(3)导热填充介质的参数:这部分材料要根据实际选用的材质规格输入传热学参数，对于简化后无实体厚度的模型来讲还要输入计算厚度参数，以免人为造成计算误差。(4)风扇流体参数:对于强迫风冷散热的整机系统来讲，风扇是关键部件，除了在建模环节中对其形状做完整定义外，还要根据其规格书输入各项工作参数，如风量、风压、转速等固有参数，还有相对于机箱系统来讲是进风，还是出风，还是内置等相对属性。风扇是电力驱动的工作部件，工作过程中自身也发热，为了使仿真结果相对准确也要输入功率参数。(5)热源功率参数:CPU、桥芯片、内存、网络芯片、硬盘、电源模块、转接模块卡等主要发热元器件要按照其各自规格书中定义的最大热设计功率值来输入功率参数。整机系统整体热功耗减去这些主要发热元器件的热功耗后还会剩余少量无法细化分配的热量，这些剩余热量可以分配到PCB等其它通电器件上。(6)特定仿真模型的参数:特定仿真模型是指引用软件模型库中的已有的部分模型，如PCB、通风孔等，这类模型的参数输入以近可能地接近实际设计为宜，如PCB模型参数除了材料外还要细化到板的层数，铜箔比例等等。9.5网格的划分网格划分，是热仿真过程中最耗费时间也是最烦琐的事情。为了获得准确的仿真结果，网格划分时必须遵循以下规范：系统网格划分思路：建立几何模型后，打开SystemGrid控制栏，软件自带四种网格“None,Coarse,Medium,Fine”，点击选择None型；在GridSummary中，检查细小网格（三个不同方向）所在位置，通过调整物体尺寸消除较小单元，提高最小网格单元数量级；针对不同区域，采用局域化网格。在网格单元控制参数中，建议采用控制最大单元尺寸选项。调整系统网格，通过控制Maxsize和Smooth来使系统网格长宽比控制在最佳范围内。系统网格质量要求简单模型最大网格长宽比要控制在20以内，复杂模型最大网格长宽比要控制在40以内。网格划分时，要注意采用Smoothing工具，尽量避免大尺寸网格到小尺寸网格的直接过渡。网格质量的好坏，直接影响到收敛的精度。散热器网格划分原则：高度方向：考虑散热器底座的扩散热阻，应至少在散热器底座上划分2层网格，肋片高度方向3~4层网格一般就足够；肋片间网格：需要3层网格才能考虑边界层作用影响，能较好的模拟温度性能，但如果要准确计算散热器的流阻，需要4~5层网格。肋片厚度网格：一般一层网格就可以。关键器件网格划分原则：仿真中，为了保证关键器件的仿真精度，必须保证足够的网格数量来保证计算精度。特别是热流密度大的芯片，要特别注意芯片的网格划分，一般情况下应在各个方向保持3~5个以上的网格，必要时需对元件添加局部网格约束。芯片的热流密度越大，芯片对应的网格数量应越多，否则会产生较大的误差。在CPU建模中，Die厚度方向至少要保证3层以上网格，Die长度和宽度方向至少应有5个以上网格。例如：在单板中共有3个该元件，其中，A1和A3功耗为0.35W，A2的功耗为0.25W，自然散热。不加网格约束时，由于各元件较小，软件默认只在x方向划分了一个网格，在Y方向也只有3个网格；对各元件施加了至少划分5个网格的约束，并在其膨胀尺寸为10%的范围内施加最少2个网格的约束，如下面图30所示关键器件网格划分方法。图30关键器件上的网格网格划分时，如果要捕抓小的特征尺寸，保证网格精度，就会极大的增加网格数量，同时会引起局部区域网格质量很差，必须灵活应用局域化网格来改善网格质量，减少网格数量，但需要注意局域化网格的特点：局域化网格之间可以嵌套，可以紧邻，但不可以重叠，包括膨胀区，如下面图31所示局域化网格划分方法。图31局域网格划分系统网格原则：在速度、温度、压力梯度大的地方，网格要足够精细。比如风扇入口、系统进出口区域；温度梯度大的区域主要集中在PCB板、CPUDie等热量比较集中或这是导热系数很小的区域。其他一些区域，比如HD、DVD、CD、电池等区域，可以使用比较粗糙的网格。9.6监控点或监控区域设置监控点设置：在仿真分析中，需要实时监控某些点的温度、压力、速度的变化，特别是关键器件的Tc、Tj值，比如CPU、南北桥Tc、Tj值，热管的Thp、Thx等。一方面可以协助判断计算是否收敛，一方面可以随时监控计算结果是否合理，如果发现不合理的温度点，可以立刻停下来检查模型，而不是等到计算完成后才发现问题，可以提高效率。监控区域设置：在某些情况下，如果需要统计流经散热器区域的流量，或者是不同槽位的风量，往往需要在散热器的入风口和各槽位入口建立压缩的Region模型，用于统计我们关注区域的流量，从而判定系统流量分配是否合理？9.7收敛与后处理（1）收敛判定：计算完成后，如何判断仿真结果是否收敛、可靠，可以从以下几个方面判定：FLOTHERM软件默认的收敛标准：每个变量的残差值达到1，所设监控走平，可以认为已收敛，软件默认的终止标准值在大多数产品分析中，安全余量相对可靠，不需要更改。在一些复杂的系统，如果部分或全部变量的残差值在10以下震荡或稳定，所设监控点走平，也可以认为计算收敛。收敛常见问题及解决：计算稳定后，如果出现发散、残差值在1