《系统散热讲义》PPT课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,電子系統的散熱問題,熱的產生原因：,電子元件在運作時，無法達到100%的效率，所流失,的能量絕大部分都轉換成熱量發散。,超導體的研究正是在克服此問題的發生,電子系統的散熱問題,電腦中的主要熱源：,中央處理器(CPU),南北橋晶片(Chip Set),圖形處理器(GPU),記憶體(Memory Set),硬盤(HD),電源(Power Supply),其他,散熱的處理原則：,按照能量不滅定律，熱不會消失，僅是轉移至它處。,Cooler簡易示意圖,扣具,風扇,上蓋,散熱片,支架,背板,風扇運算的基本原理,DC風扇運轉原理：,根據安培右手定則，導體通過電流，周圍會產生磁場,，若將此導體置於另一固定磁場中，則將產生吸力或,斥力，造成物體移動。在直流風扇的扇葉內部，附著,一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環繞著矽鋼片，軸心部,份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應元件作為同步偵測,裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈,輪流工作。矽鋼片產生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵,產生吸斥力。當吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時，扇葉,自然轉動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因,此得以持續運轉，至於其運轉方向，可依佛萊明右手,定則決定。,風扇轉速測量原理,檢測RPM完全基於風扇底三導（白色線）F.G,(Frequency Generation output)輸出測量，跟據,輸出的高低電平及頻率幅度，BIOS取觸發信號,（相當於一個計數器），,然後再根據風扇充磁極數,決定其周期頻率和RPM。,風扇的啟動電壓,啟動電壓意即風扇最低運轉工作 電壓，是比較風扇優劣,的一項特性，通常淨摩擦系數較低的風扇，以及配台較,低工作電壓的霍爾IC才能使風扇用較低的電壓來啟動。,影響的因素：,繞線設計是否恰當矽鋼片磁滯損失大小,霍爾lC的最低工作電壓 電晶體放大倍數高低,橡膠磁鐵的充磁強度.扇葉的重量,.軸承的摩擦系數高低 電晶體飽和電壓高低,是否有反向保護二極體。,風扇的死角,所謂風扇死角是指風扇置於某些角度情況下不能依規定電,壓啟動。測試方法就是將風扇各極依序調整置於霍爾IC之,前，然後將電壓緩慢調高直到啟動，若各極在小於規定電,壓值之前啟動，代 表合格，若有高低差異，啟動電壓超出,規定者，稱為死角。,影響的因素：,橡膠磁鐵各極充磁不均,霍爾IC感應靈敏度太差；,橡膠磁鐵充磁磁場太弱。,風扇的充磁極數,極數多代表磁場變化速度快，磁場變化速度快代表頻率增加,，頻率增加一方面提高矽鋼片能量轉換效率，使相同電流值,能作較多的功，得到較高轉速，所以，轉速與極數係成正比,關係。,風扇性能,Q正比(轉速),P正比(轉速2),Q正比(風扇尺寸3),P正比(風扇尺寸2),風扇的改變：,轉速及尺寸增加,風扇的類型,*軸流扇：高流量*離心扇：高靜壓,鰭片作用原理,高效能的散熱,熱傳係數散熱面積溫度差,*熱傳係數：,材料性質，幾何形狀，,流場狀況,*散熱面積：,製造加工方式，幾何形狀,*溫度差：,幾何形狀，流場狀況,鰭片散熱途徑,*熱傳導：,固體部分，鰭片的材質(鋁=銅=?),結合方式(Epoxy=Solder=Brazing=?),*熱對流：,風扇的效能(60=70=80=?),*熱輻射：,溫度差的自發性反應(X),*沸騰，蒸發：,熱管,Vapor Chamber,CPU Cooler 熱阻之定義,Ta,Tc,R,total,=R,CPU,+R,Contact,+R,Cooler,R,total,=總熱阻=(Tc-Ta)Q,R,CPU,=CPU熱阻,R,Contact,=CPU至鰭片之接觸熱阻,R,Cooler,=Cooler熱阻,熱阻計算公式,Tc Ta=,Q,Kcu Acu,Xcu,Q,Q,Q,1/R,grease,K,Al,A,Al,X,Al,H,convection,A,Al,+,+,+,CPU,散熱膏,散熱片,R,tot,=,Tc Ta,Q,=,R,cpu,+R,grease,+R,cooler,鰭片設計重點,*總體積尺寸,*材料,*底板厚度,*鰭片形狀,*鰭片厚度,*鰭片間距,*鰭片長度,*鰭片底板之結合材料,鰭片效能因子,*熱對流強度或鰭片面積,*鰭片所具有的熱傳導面積,*風扇壓力損失,*底板的熱擴散性,鰭片其他設計考量,*製造生產的困難度,鰭片的細長比,Fin-to-Fin間距,鰭片/底板之結合材料,*重量,*價格,傳統散熱片製程說明,鋁擠型：,主要材料為鋁6063，傳導率約在160180 W/mK,，易加工，限制在於散熱鰭片之細長比有其限制,(15)，無法在有限空間下大量增加散熱面積。,壓鑄型：,可作成複雜形狀的導流設計，能做出薄且密的鰭,片，以增加散熱面積。常用的壓鑄合金為ADC12,，但熱傳導性較差(96W/mK)。,散熱片的新製程,接合型(Bonding Fins)：,利用鋁擠型擠出有溝槽的散熱片底板，同時將鋁板片,或銅板片作成一片片的鰭片，接著將每片鰭片插入散,熱片底板的溝槽上，再利用導熱黏膠或銲錫將兩者接,合起來。,優點細長比可達60倍以上，鰭片可選擇不同材料。,缺點銲接效果難控制，造成界面阻抗增加，且接合,強度亦影響產品之可靠性。,散熱片的新製程,折彎型(Folding Fins)：,將薄板片折呈鰭片排列形狀，再用硬焊或錫焊方式,與擠形過或機械加工過底板相結合成一散熱片。,優點可作高細長比的散熱片，鰭片部分是一體折,彎成型，有利於熱傳導之連續性，具有不同散熱材,料組合的彈性。,缺點依然有額外的界面阻抗及不易建構緊密排列,之細間散熱片。,散熱片的新製程,鍛造型(Forging Fins)：,係經精密的風到設計，於模具上開適當的鰭片排列，,將鋁塊加熱至降伏點後，於模穴內利用高壓使鋁材充,滿模穴而形成柱狀鰭片。,優點鰭片高度可達50mm以上，厚度可薄至1mm以,下。,缺點散熱片容易有鰭片高度不均之現象，模具費用,高。,散熱片的新製程,刨削型(Skiving Fins)：,先以擠型方式做出長條狀帶有凹槽的初胚，接著利用,一特殊刀具將初胚創初一層層彎曲的鰭片出來。,優點鰭片厚度可薄至0.5mm以下，同時鰭片與底板,是一體成行無界面阻抗之問題，另外具有高鰭,片密度，高散熱片面積，高熱導性。,缺點量產不易，刀具易磨損，製造材料多。,散熱片的新製程,機械加工型(Machining Fins)：,直接由金屬塊將材料加工成具有鰭片間隙的散熱片型,式。通常是在CNC機台上以GangSaw刀具來加工製造,散熱片，此刀具具有多重精密排列的鋸輪。,優點適用於高性能散熱片的製造，如銅散熱片加工,，且容易自動化。,缺點加工過程中易造成鰭片損害和變形問題，同時,產生大量廢料與材料耗損，較不具生產性。,散熱片的新製程,金屬粉末射出成型(MIM Fins)：,應用在散熱片製造上，主要著眼於有些高熔點，高熱,傳導的材料，如Cu，Cu-W，不易用上述幾種製程予,以一體成型。直接作成散熱片型式之初胚，接著再利,用高溫燒結成具有強度與高密度的成品。,優點可將高熱倒的銅粉末直接一體成型出高效能的,散熱片，適合用在高發熱密度並受限於空間限,制的電子元件上，熱阻抗值比鋁材低很多。,缺點原料成本較昂貴，產品良率較其他製程低。,近期開發重點,水冷式散熱系統組件：,微型抽水馬達,儲水槽,管線,水冷器,風扇,近期開發重點,導熱管及均熱板(Heat Pipe&Chamber)：,未來產品微冷卻器,微熱交換器,微冷凍機,微流道熱沉,微熱管,微型空調系統,系統散熱問題,機箱散熱機制：,電源,系統風扇,開孔大小及位置,機箱外殼材料,Cooler的主要目的是降低CPU的溫度，它僅是提供一溫,度差(Tc-Ta)，當系統環境溫度過高時，CPU的溫度也,會相對提高，此時改善散熱器的效能僅是延緩CPU溫度,的快速升溫趨勢，對整體機箱的穩定性並無幫助。,考量系統散熱的工作重點在於如何有效置換機箱內部與,外界的空氣交換。,電源及系統風扇組合,不當開孔設計：,從系統風扇開孔處引進,的風很容易直接被電源,風扇抽走，此外電源排,出的熱風容易經過此開,孔處再次被引入。,實驗經驗：,系統風扇開孔處的入風,溫度約高於恆溫恆濕機,兩度。,將此開孔封閉一般Tc溫,度約降一至二度。,電源及系統風扇組合,搶風問題：,按現有機箱結構造成,cooler風扇和電源風扇,及系統風扇同時搶風,現象。,導致現象：,部分低溫空氣被系統,風扇及電源風扇抽走,氣流混亂干擾造成系,統噪音提昇,電源及系統風扇組合,Cooler帶走的熱量需要經由電源帶走，此時由於電源風,扇的效能有限，造成溫度在機箱內部積存，導致機箱溫,度的提昇。,開孔大小及位置,側面開孔,機箱開孔及材質選定對系統整體散熱效益為輔助功能，,開孔位置及大小可避免不必要的溫度集中現象，開孔率,不足將無法有效引入足夠新鮮空氣開孔率過大有EMI,的問題，及無法有效導引風向的流動。,系統散熱的方向,CPU發熱量將繼續提昇，加上顯卡晶片的熱量增加，,系統先期規劃上需考量開孔分布及大小以及空氣置,換量的需求確立電源及系統風扇的工作風量。,設計考量在於直接引入外界空氣進行熱源處的冷卻，,冷卻後所產生的熱量直接透過風槽導出機箱外，避免,熱量流入機箱中，導致機箱溫度的升高，造成整體性,能的不穩定。,引入熱管及水冷系統用以快速將熱量轉移增加機箱,外殼的散熱效能。,