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散热是个永恒的主题!处理不好就是问题!

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点击次数:1686 更新时间:2017年09月12日12:44:36 打印此页 关闭

 现代社会准确来说是一个能源社会!能源不再是农业社会的:太阳能--》生物能--》机械能的简单转换模式。最近这一百几十年来人类发现更多的能源:电能、核能、电磁能、潮汐能等等,而且是各种各样的能源相互转化。需要能量转换的地方都离不开散热这个永恒的主题。散热好坏直接影响产品的性能、质量和寿命。
  这个开题有点过了,DUSA君都不知道怎样讲了。还是讲讲身边常用的电源、LED灯具或者电子设备好了。
  下面DUSA君班门弄斧从傅里叶公式开始探讨关于散热的问题。


傅里叶方程式:
1、Q=KA△T/d, 
2、R=A△T/Q      把1式代进2式推导出---------》K=d/R
Q: 热量,单位W;这个是产品的功率,功率固定的话,尽量选用能量转化效率高的;
K: 导热率,单位W/mk;每种材料都是基本固定的;
A:接触面积;
d: 热量传递距离;
△T:温度差;
R: 热阻值  


  导热率K是材料本身的固有性能参数,用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的,只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的,并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并,可以得到 K=d/R。因为K值是不变的,可以看得出热阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚,热阻越大。
而且很多导热材料的热阻值R,同厚度d并不是完全成正比关系而是非线性变化,而且厚度增加,热阻值可能是更陡的曲线关系。 
所以基板也好,外壳也好,不是越厚越重就散热越好;在保证机械强度和安装要求前提下,尽量设计薄一点,减少成本的同时也减少运费等。越重越厚实、卖得越贵的产品都不是好产品。
 
根据R=A△T/Q这个公式
  理论上这个公式只是一个最基本的理想化的公式,他设定的条件是:接触面是完全光滑和平整的,所有热量全部通过热传导的方式经过材料,并达到另一端。 
实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值,应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同,就会产生不同的接触面热阻值,也会得出不同的总热阻值。 

结论
1、FR4板材也好、铝板材也好、铜板材也好,不是板材越好导热越好。每一种板材都有一个很低的导热系数。比如铝板1.0、2.0和3.0;比铝板160的导热系数低很多。原因是焊盘与铝板之间有一层绝缘层。导热系数很低的。所以不是铜板材越贵越好。
2、有些灯珠是热电分离的。散热焊盘不导电的,不导电的焊盘必须做没有绝缘层的焊盘,这样的导热系数就跟板材一样了。
3、由于焊盘与板材间有一个叫绝缘层的东东,而且是导热系数很低的!我们既然无法更改它的热阻值。我们从公式上考虑,也可以增加接触面积来增强散热能力。所以焊盘设计要尽量大(不只是焊接那部分哦,跟焊盘连接那些铺铜的部分也是的),铺铜的多少并不影响成本和外观。在PCB制造工艺允许、EMI允许的情况下,留够足够的线距和安全距离,尽量增加大铺铜的面积是一个非常可行的方案!
4、基板与外壳间并不是非常光滑平整的,中间也有很多的间隙。中间增加导热硅脂等只是用来填补空隙用的。很小的空隙是一个隔热体,因为空气无法对流,所以比空气的导热更差。所以需要导热膏把这些空隙上;
5、导热膏是不是越多越好呢?错的哦!导热膏的导热系数再好也只有X.0;PCB和外壳一般都有100多的导热系数;我们所加的导热硅脂只需要尽量填补空隙就够了。热量最好让金属与金属间直接传导。我们让散热膏尽量薄、尽量均匀地平铺就最好。把缝隙刚刚填满就是最佳,多余的散热硅脂收起来或者留在接触面外面,这是效果最好的;
6、安装紧固的压力大小不同,就会产生不同的接触面热阻值,所以设计上让PCB与外壳尽量多接触、尽量增加接触压力;
7、热量是发生在产品的内部空间,最终散热好坏的结果是要把热量散发在外面的空气里,所以设计上要尽量多地增加空气接触的面积,而不是内腔的面积;


  所以站在一个使用者或者最终客户的立场来说,一个产品的质量好坏就是看散热的问题处理的好不好。不要以外观光滑平整、壁厚重量和用料厚实来判断。不应该关注材料的导热率;更应该关注材料的热阻值。


  DUSA君在大学里的成绩感觉很不好,出来社会一直不敢说从那里出来的,写这种比较学术的文章会不会给老师丢脸呢?


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