搜索散熱基礎知識簡介
2017-02-22 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
人們對手機等電子產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,往往會導致手機迅速發熱,而手機類電子產品發熱溫升超過10度,性能往往會下降50%以上,并且手機類電子產品發熱嚴重會導致手機重啟或者爆炸等意外事故的發生。如何更好提升手機的散熱性能并且預防上述意外事故的發生,需要借助CFD手段在手機類電子產品的研發階段就“把好關”。
那么,CFD軟件如何在手機類電子產品中產生作用?
熱量傳遞的基本規律是熱量從高溫區域向低溫區域傳遞,熱量的傳遞方式主要包括三種:傳導、對流、輻射。
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傳導
傳導是由于動能從一個分子轉移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發生,它是在不透明固體中發生傳熱的唯一形式。對于電子設備,傳導是一種非常重要的傳熱方式。
利用傳導進行散熱的方法有:增大接觸面積,選擇導熱系數大的材料,縮短熱流通路,提高接觸面的表面質量,在接觸面填導熱脂或加導熱墊,接觸壓力均勻等。
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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。產品設計中提到的風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(層流/湍流)、流體本身的物理性質、換熱面的因素(大小、粗糙程度、放置方向)等。
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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,增大輻射面積等。
電子產品的設計可以通過以下幾種方式增強散熱:
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增加有效散熱面積:散熱面積越大,熱量被帶走的越多
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增加強迫風冷的風速、增大物體表面的對流換熱系數
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減小接觸熱阻:在芯片與散熱器之間涂抹導熱硅脂或者填充導熱墊片,可有效減小接觸面的接觸熱阻,這種方法在電子產品中最常見。
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破環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,凹凸不規則的表面可以有效破壞壁面的層流邊界,增強對流換熱。
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減小熱路的熱阻:因為空氣的導熱系數比較小,狹小空間內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熱墊片,則熱阻勢必降低,有利于其散熱。
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增加殼體內外表面、散熱器表面等的發射率:對于一個密閉的自然對流的電子機箱,當殼體內外表面氧化處理比不氧化處理時元件的溫升平均下降10%。
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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
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熱沉:熱量經傳熱路徑達到的最終位置
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熱耗:器件正常運行時產生的熱量,熱耗小于器件輸入的功耗
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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生在某些點上,其余狹小空間均為空氣,由于空氣的導熱系數較小,在此傳熱路徑上會產生比較大的熱阻
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流阻:反映系統流過某一通道或者某一系統時進出口所產生的靜壓差
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導熱系數:表示物體的導熱能力的物理參數,主要是指單位時間內,單位長度溫度降低1度,單位面積導熱傳遞的熱量
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對流換熱系數:表示單位時間內,單位面積差為1度時流體固體之間所傳遞的熱量
隨著電子產品向高集成、高性能和多功能方向發展,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,可以對電子器件的性能進行預測,優化結構尺寸和工藝參數,進而提高產品質量、縮短產品開發周期、降低產品開發成本。下文是CFD仿真技術在解決電子封裝研發過程中部分常見工程問題的簡要介紹:
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芯片封裝內部溫度分布分析
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芯片封裝內熱流路徑分析
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芯片封裝后JEDEC標準下各項熱阻值仿真分析
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考慮芯片封裝內布線、過孔、金線、不均勻熱耗對溫度結果影響
芯片封裝在熱設計中需要考慮不同結構的芯片封裝傳熱性能,以及為板級或系統級的熱分析提供芯片封裝模型。 ICEPAK軟件可以根據ECAD軟件信息直接生成芯片的詳細結構模型,便于工程師對芯片封裝的溫度分布預測及熱優化設計。
電子設備是指由集成電路、晶體管、電子管等電子元器件組成,應用電子技術(包括)軟件發揮作用的設備,如計算機/外設、工業電子設備、汽車電子設備、軍用電子設備、便攜式電子設備及新興電子設備等。
在電子設備的研發過程中常涉及到散熱、結構優化等多方面的工程問題。隨著現代CAE仿真技術的日趨成熟,企業完全可以將這種先進的研發手段與試驗和經驗相結合,形成互補,從而提升研發設計能力,有效指導新產品的研發設計,節省產品開發成本,縮短開發周期,從而大幅度提高企業的市場競爭力。下文是CFD仿真技術在解決電子設備研發過程中部分常見工程問題的簡要介紹:
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電子設備的散熱分析,如電腦機箱的冷卻系統分析
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電子設備的濕度分析,如機柜內部的潮濕分析
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電子設備內部及外部的空氣流場分析,如機載電子設備的內部及外部流場分析
電子設備冷卻系統的優劣直接影響其在市場競爭中的成敗。ANSYS專業熱分析軟件ICEPAK及流體動力學分析軟件FLUENT可以分析優化電子設備的內部布局,改善電子設備內部的冷卻系統,降低因溫升帶來的不利影響。
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