2022.1.25

热量控制理论|关于热设计的热传导理论和具体的热量控制方法

TWC向客户发出的讯息

随着半导体等各类部件的细微化发展,电路的集成化水平不断提高,智能手机之类的高性能电子设备越来越轻薄,结构也日趋复杂。在这样的大背景下,各类部件产生的热量不仅会影响产品本身的可靠性,可能还会降低安全性,必须妥善实施热量控制。

为了提高电子设备的安全性和可靠性,必须开展“热设计”,自开发阶段估算部件及产品本身的发热量,提前采取热量控制措施。下面介绍热设计所需的热学基本理论和具体的热量控制方法。

热学基本理论

以电脑、智能手机为代表的电气产品在未接通电源时,温度与周围环境一致。可一旦接通电源开始驱动,电能就会转化成热能,导致发热。

在了解热的传导方式时,我们必须先理解热传导率、热阻抗等基本理论。

热传导率

热的传导方式可分为3种,即“传导”、“对流”、“辐射”,根据热力学第二定律,热只会从高温处传向低温处。

  • 传导:在树脂、金属等固体物质内部传热
  • 对流:先将热传导至气体、液体等介质,再借由介质移动进行传热
  • 辐射:通过热源发出的红外线等电磁波进行传热

在设计制造电子设备类产品时,必须掌握传导产生的热量和热传导的具体过程。各类产品使用的材料具有不同的“热传导率”(物质的固有参数值) ,代表其直接传导热量的能力。代表性材料的热传导率如下表所示。

热传导率

根据材料的热传导传热量公式,我们可以发现,材料的热传导率越高,传热速度越快,也就越容易进入恒定状态。

热阻抗(Thermal Impedance)

在研究使用产品时的热量控制时,还必须注意材料的“热阻抗”。热阻抗代表“热量在热流路径上遇到的阻力”,是权衡各类条件后的综合特性值。 可利用“热欧姆定律”公式进行计算。

热阻抗

热阻抗值越高,越容易蓄热,相应位置发热后的冷却难度也更高。

热阻抗值的求法与欧姆定律相同,可根据材料配置进行如下计算。

<串联时>
Rtotal=R1+R2+R3+R4+R5+・・・・+Rn

<并联时>
1/Rtotal=1/R1+1/R2+1/R3+1/R4+1/R5+・・・・+1/Rn

串联构件的温度试算

下面让我们计算出各构件的热阻抗,再据此试算一下具体热源的温度吧。

如下图所示,假设热源和冷却器之间设有铝层、树脂层和铜层构件,截面积均为100mm2

热源

构件为串联,因此各层热阻抗之和就是总热阻抗。

铝层的热阻抗=0.0048/(0.0004×240)=0.050
树脂层的热阻抗=0.0006/(0.0004×0.3)=5.000
铜层的热阻抗=0.0038/(0.0004×380)=0.025

总热阻抗=0.050+5.000+0.025=5.075

热源和冷却器之间的温度差ΔT如下所示。

ΔT=5.075×10=50.75℃

热源的温度为50.75+15=65.75℃。

由此可见,热传导率最低的树脂层是散热的障碍。因此,采用下列热量控制方法,能够降低树脂层的热阻抗。

  • 减薄(或去除)树脂层
  • 换用热传导率更高的树脂材料
  • 用热传导率较高的材料帮助树脂层散热

此外,在实际使用中,物体间物理接触时产生的间隙也会造成热阻抗(接触热阻抗)。重叠配置多层金属时,各金属层看似紧密相贴,但从微观上看,其间是凹凸不平的。利用TIM材料,能够帮助我们消除这些凹凸导致的间隙。

关于具体的热量控制类型,我们将在热量控制单元进行解说。

过热引发的问题

对于使用CPU、功率元器件等电子部件的产品而言,供电启动后承受的热量如果达到一定程度,可能就会引发各类问题。

安全性相关问题

随着半导体的细微化发展,智能手机、笔记本电脑变得越来越轻薄,部分产品还会采用密封结构。密封的产品无法装设散热风扇等配件,只能经由产品框体等表面进行散热。

连续使用时,产品表面可能会发烫到无法持握的程度,内置电池也有可能起火,引发各类问题。即使温度不高,长时间接触也有可能造成低温烫伤。

以智能手机等移动设备为例,它们都配备了安全设计指南,为避免低温烫伤,对构件与人体的接触时间做出了如下的硬性规定。

<金属>
51℃:1分钟
48℃:10分钟
43℃:8小时

<玻璃、陶瓷>
56℃:1分钟
48℃:10分钟
43℃:8小时

<其他(树脂等)>
60℃:1分钟
48℃:10分钟
43℃:8小时

参考)移动设备安全设计指南(英文):P.4

可靠性相关问题

以电容器为例,加热后用于封装的树脂会在高温下出现化学变化,发生热分解。这会导致内部电解液外泄,缩短产品的使用寿命。

此外,对于功率模块这种由多种热膨胀系数不同的材料构成的部件而言,连续使用产生的热量会改变应力,导致导线、焊接部等疲劳破坏。

品质相关问题

部件产生的热量,可能会使产品无法充分发挥设计规格所对应的功能。

对智能手机、数码相机等使用大量半导体元件的产品而言,连续运行导致的泄漏电流一旦引发热失控,就会减慢处理速度,必须停用一定时间,等待冷却后才能继续使用。

电池也很容易受到温度的影响,如果在高温下持续使用,启动时间可能无法达到规格参数的要求。

热量控制类型

为了避免因产品内部发热引发各类问题,必须进行热量控制,降低内部产热造成的影响。根据热力学第一定律,已产生的热量不会消失,因此我们只能对其进行转移。所以,我们可以通过下列方法,进行散热等热量控制。

热量控制 散热方法 具体的散热案例
增大传热面积 使用散热部件 散热片
将热量扩散到框体等构件上 TIM(界面材料)
热扩散器
提高热传导率 对流散热 局部冷却风扇
热管
热导板
辐射散热 使用高辐射材料
降低设备的内部温度 换气 换气风扇
设置通风口
隔绝热源 用隔热材料阻断传热
变更部件配置

增大传热面积

散热片

散热片是一种非常传统的热量控制方法,属于传热面积增大设备。散热片设有多枚鳍片,以物理方式扩大用于散热的面积,释放产生的热量。

散热片

使用散热片,可提高固体间、固体与空气间的热传导效率。

TIM(界面材料)

电子部件产生的热量会扩散到基板,实现降温,如果降温效果不足,可以利用框体、散热片 进行散热。

通常会将部件直接连接至框体,或经由基板将热量扩散到框体,但是,如果不降低构件接触面的接触热阻抗,同样无法有效散热。

TIM(界面材料)是一种填充构件与框体接触面间细微间隙,排除空气,降低接触热阻抗,使热量更易均匀传导的材料。

TIM

TIM可分为导热硅脂、散热片材等各种类型,关于具体的材料及相应特点,将在后文中进行说明。

热扩散器

TIM可用于降低构件间接触面的热阻抗,热扩散器则通过增大传热面积,使热量更高效地向框体面方向扩散,协助散热。

热扩散器

根据用途和发热量,热解石墨片、金属箔等各类配件均可被用作热扩散器。

提高热传导率

局部冷却风扇

利用风扇产生对流,经由产品内部的温热空气传导出热量,实现散热降温。

用作换气扇 :交换温度较高的内部空气和外部空气,实现降温
用作风扇 :将发热部周边的温热空气吹散,降低热量

发热体密集时,如果单纯依靠通风口等进行自然换气,风量不足,无法让温度均一化。因此,必须利用局部冷却风扇确保冷却所需的风量,采取高效的降温措施

热管

热管是一种利用温度差产生的对流,推动冷媒液循环,借此传导热量的冷却设备。

在热传导率较高的真空铜管中注入水等冷媒液,发热源的热量加热管内水至沸腾后,以气化热的形式释放出来。蒸汽将在远处的散热位置得到冷却,返回液体,移动至发热源后再次被加热。重复上述热对流循环过程,就能快速地使整体温度分布实现均一化。

降低设备的内部温度

换气风扇

在框体等处设置换气风扇,将内部的温热空气排出到外部,借此实现温度的均一化。

变更部件配置

必须管理好部件之间的位置关系,例如不在高温部件附近设置耐热性较差的部件等。此外,如果将发热部件设置在上风处,向下风处形成的热对流可能会升高其他部件的温度,因此要尽可能地将发热部件装设在下风处。

用隔热材料阻断传热

对于难以变更部件配置的产品,还可以在发热部件与其他部件间设置真空隔热材料、二氧化硅气凝胶等隔热材料,隔绝热量。

太阳金网株式会社提供热量控制方面的咨询服务

对于客户的设计需求,本公司将借助模拟技术、测量技术等热量控制技术,提供最佳的热量解决方案。如果您有热量控制方面的问题,请务必咨询本公司。

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TIM的类型和特点

对于CPU等发热影响较大的设备,为了使其能通过基板、框体高效散热,必须填充接触面的细微间隙,降低热阻抗。为此使用的“TIM(Thermal Interface Material)”,可分为多个类型。

TIM的类型 特点
导热硅脂
  • ・历史最悠久
  • ・可通过加压薄膜化,热阻抗较小
  • ・难以均匀涂布
  • ・存在泵出的可能
热传导片材(填隙料)
  • ・形状/性能稳定
  • ・重复使用性相对较高
  • ・还能吸收高度差
  • ・夹入填充可维持一定的距离,易保障电气绝缘性
  • ・根据实际硬度,可能要使用较高的压缩力
导热凝胶
  • ・适用于各类间隙(热源与散热器之间)
  • ・压缩后几乎不会反弹变形,可充分发挥热传导性能
  • ・可装入分注器进行填充
  • ・存在泵出的可能
PCM(Phase-change materials)
  • ・设备的运行温度会使其软化,紧密贴合接合面
  • ・热阻抗相对较小
导热胶带
  • ・双面粘合胶带
  • ・能够在贴合散热片的同时确保散热性能
高导热胶水
  • ・能够在贴合部件的同时确保散热性能
  • ・绝大多数情况下不能重复使用
焊锡
  • ・无间隙,热阻抗极小
  • ・必须采用回流焊技术

各类TIM不仅在接触热阻抗值上存在差异,可使用的位置、重复使用性等也各有不同,必须根据实际用途进行选择。

使用TIM的目的,是填充接触面的间隙,降低接触热阻抗。即使TIM的热传导率较高,如果在实际使用时发生TIM漏出,或在填充时残留空气层,同样无法获得预期的效果。

以导热凝胶为例,可能因热循环导致材料反复膨胀、收缩引发泵出,使材料遭到破坏,还有可能因材料中所含油分渗出(渗油)导致材料干燥,进而遭到破坏(干涸),因此,在使用前必须进行评估/研究。

此外,虽然热传导片材的贴附等操作相对简单,但如果施加的压着力不合适,同样无法实现预期的热量控制效果,这些因素也要在设计阶段仔细考量。

太阳金网株式会社提供热量控制产品的咨询服务

TIM可分为许多类型,不仅要根据使用环境选择材料,还必须进行热量控制效果的事先验证等。太阳金网株式会社提供包括填隙料、导热凝胶、热传导片材在内的各类热量控制产品。

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