PDF《从零开始学散热讲义》

Leon Chen.

从零开始学散热内部讲义 添加微信 18503009673/QQ759599290 获取本书纸质版.已获版权,但暂未出版.侵权必究. 编著:Leon Chen 从零开始学散热讲义 ――从产品讲理论,用案例论方法. Leon Chen. 从零开始学散热内部讲义 添加微信 18503009673/QQ759599290 获取本书纸质版.已获版权,但暂未出版.侵权必究. 从零开始学散热讲义 作者:Leon Chen Leon Chen. 从零开始学散热内部讲义 添加微信 18503009673/QQ759599290 获取本书纸质版.已获版权,但暂未出版.侵权必究. 前言――新时代热设计工程师的路 电子产品中,元器件在实现各种功能的过程需要消耗电能,根据热力学第二定律,部分电能将 会转化成热能,这就产生了温度问题.温度的过高或过低,都将影响产品的正常运行.随着电子产 品的形态功能演进,当前电子产品热设计面临前所未有的机遇与挑战.从传统的 3C 产品(计算机- Computer,通讯-Communication 和消费电子产品-Consumer Electronic),到新兴的无人 机、新能源汽车、人工智能硬件等产品中,电子产品热设计正扮演着越来越重要的角色. 作为一门古老的学科,热物理学在人类历史的发展进程中起到了关键作用.第一次和第二次科 技革命本质上都是能量利用方式,尤其是热能利用方式的变革.现今,信息技术的发展激发了半导 体行业的飞速进步,人们正制造出功能越来越强大的设备,同时,这些产品的耗电量也在急速增 加.据统计,2016 年中国数据中心总耗电量超过

1200 亿千瓦时,这个数字甚至超过了三峡大坝

2016 年全年的总发电量(约1000 亿千瓦时).一个可能难以置信的事实是这其中很大一部分能量 消耗实际上是用来控制温度的:数据中心制冷耗费的电能甚至占到了总耗电量的 70%.电子产品热 设计在节能环保方面的重要性可见一斑.不夸张地说,半导体行业的兴起,使得热物理学又有了新 的使命. 合理控制温度是电子产品热设计的核心内容,但它绝不是热设计工作者应该考虑的唯一因素. 在施加温度控制方案的过程中,设计师还必须考虑其它多方面的问题.以汽车热设计为例,设计师 需要在特定空间、特定环境使用特定的成本可靠地解决温度控制问题.这其中,控制好温度只是基 本目标,一个优秀的设计方案至少还需要兼顾如下方面: 1. 设计方案的长期稳定性:需要考虑所用材料在各种环境中长期运行会产生的变化,比如液 冷设计中的管路腐蚀,所用导热界面材料随时间而产生的性能衰减等;

2. 空间紧凑程度:汽车内空间非常宝贵,热设计方案所使用的各种物料应占据尽可能小的空 间;

3. 成本:需要了解所用物料的机械加工工艺、原材料成本等;

4. 系统的兼容性:热设计用到的散热器、风扇、冷板等,需要和车的整体设计融为一体,充 分考虑汽车其它系统性要求;

5. 后期维护便捷性:热设计方案需要结合整车可能要进行的后期维护进行调整;

6. 对人体的保护:所用的方案不能产生有害气体、刺耳的噪音或其它对人体有害的刺激;

7. 密度和强度:车身更轻有助于节能省油,但更轻薄的结构件通常强度也会更弱;

8. 异常情况的处理:汽车运行的环境复杂多变,温度控制方案应当能够在异常情况下采取合 理的应对策略,甚至根据某些检测指标,提前提醒车主对汽车某些部位进行检查或保养. 由上面几点可以看到,除了传热学和流体力学两个基本学科,电子产品热设计还涉及到工程控 制学、声学、材料学和机械加工等多个学科,不同种类的产品所考量的因素也有巨大差异.随着产 Leon Chen. 从零开始学散热内部讲义 添加微信 18503009673/QQ759599290 获取本书纸质版.已获版权,但暂未出版.侵权必究. 品热功率密度的日渐提升,温度问题愈发严峻,一个产品热设计方案的优异程度正对其整体性能表 现有着越来越明显的影响. 除了涉及面广,现代产品的研发和更新迭代特征还对热设计师提出了更高的要求.热设计师必 须对产品的温度表现有更为深度的洞察,理解传热学、流体力学等与热设计高度相关的理论知识, 才能在不制作大量样品测试的情况下设计出合理的方案,从而应对日渐缩短的产品研发周期.不可 否认的是,长期工作过程中积累的工程设计经验是十分宝贵的,合理运用这些经验可以避免很多损 失,节省开发时间,尤其是通常可以更充分考量生产加工过程的便捷性.但设计师必须意识到当前 产品的更新迭代速度.一种产品的形态可能在数年之内产生极大的变化(以手机为例,数年之间, 键盘式手机已经几乎消失,取而代之的是大屏幕、超轻薄的智能手机),其对热设计提出的需求也 必然随之产生剧变.同时,热设计相关的物料技术水平也在迅速发生着变化,如导热衬垫,2005 年之前,导热衬垫导热系数通常在 3W/m.K 以下,到2017 年,已有厂家可生产制造导热系数高达 25W/m.K 的高柔软度可回弹的衬垫;