筆記本散熱及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

admin 2011-08-27

設(shè)計(jì)指導(dǎo)書<散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介>

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目      錄
? 熱傳導(dǎo)的方式及其原理      2
? 熱傳導(dǎo)(conduction)
? 熱對流(convection)
? 輻射(radiation)
? 筆記本電腦散熱設(shè)計(jì)的基本概念      4
? 散熱模組的重要元件   —   4
? 散熱塊（heat sink）
? 導(dǎo)熱管（heat pipe）
? 風(fēng)扇（fan）
? TIM
? 散熱設(shè)計(jì)的流程      7
? 散熱設(shè)計(jì)的指南      7

一、熱傳導(dǎo)的方式及其原理
原理：溫差致使熱能從高溫傳向低溫
方式：
? 熱傳導(dǎo)：熱量通過固體介質(zhì)傳導(dǎo)
? 熱對流：通過固體表面和液體之間以及氣體間傳遞
? 輻射：熱量通過電磁波傳導(dǎo)
? 熱傳導(dǎo)
Fourier`s Law：Q=-KA△T/△L
Q：熱轉(zhuǎn)移率
A：熱量流動的截面積
△ T/△L：溫度斜率
K：散熱系數(shù)（W/mk），AL=230
Cu=380
Mylar=1.8
? 熱對流
Newtonian cooling Law：Qc=hc As (Ts-Ta)
Qc：熱傳遞率
As：表面積
Ts：固體表邊溫度
Ta：環(huán)境溫度
Hc：散熱系數(shù)（W/in²ºC），自然傳導(dǎo)=0.0015~0.015
被迫傳導(dǎo)=0.015~0.15
? 輻射
Qa=εσ
Qa：輻射率
ε：放射率，0<ε<1
σ:Stefan-Boltzmann常數(shù)
A：表面積
：有效面積系數(shù)
Ts：物體s的溫度
Ta：物體a的溫度
? 熱傳導(dǎo)、熱對流、輻射相結(jié)合（如：圖1）
? 熱阻
R=V/I（V≡△T；I≡Q）
熱傳導(dǎo)： =△L/K
熱對流： =1/
輻射：
二、筆記本電腦散熱設(shè)計(jì)的基本概念

1．散熱設(shè)計(jì)的目的：筆記本所消耗的能量最后都以熱量的形式釋放出來，而散熱設(shè)計(jì)必須能適應(yīng)CPU、所有關(guān)鍵元器件（HDD、FDD、CD-ROM、PCMCIA等）、所有芯片（Chipset、VGA、RAM、Audio等）的溫度規(guī)格。
2．熱阻
3．熱能接合系統(tǒng)影響
4．散熱方案
? 被動散熱模式
? 主動散熱模式
? 組合模式
5． RHE：微量熱流
6．較好的被動散熱特征
? 連接CPU的金屬片應(yīng)盡量大
? 金屬片上的溫度變化應(yīng)盡量小
7．較好的主動散熱特征
? 空氣流動通道簡單明了
? 空氣流動通道的長度應(yīng)較短，以便空氣流通率高
? 盡可能降低風(fēng)扇的噪音
? 設(shè)計(jì)必須盡可能排出筆記本電腦內(nèi)部的部分熱風(fēng)
三、熱模組的重要元件
△ 散熱塊(heat sink)
△ 導(dǎo)熱管(heat pipe)
△ 風(fēng)扇(fan)
△ TIM
△ 上述元件的組合
? 散熱塊(heat sink)
1．材料
材料      ： A1050   A6063   ADC12   C1100
K(W/mk)     ： 230      210      92       384
Specific gravity： 2.71     2.69     2.70      8.92
2．生產(chǎn)方式：壓鑄、鋁擠
3． Q=-KA△T/△L
4． Fin, Q=hA△T
Fin的生產(chǎn)方式：壓鑄、鋁擠、剪切、焊接等
? 導(dǎo)熱管(heat pipe)
1．基本構(gòu)造和特征
2．基本規(guī)格
材料：銅
流體：純凈水
標(biāo)準(zhǔn)工作溫度：0~100°C
尺寸：ø3、ø4、ø5、ø6、ø8
3．典型的導(dǎo)熱管軸芯構(gòu)造：細(xì)絲、網(wǎng)絲、凹槽、粉末
4．典型導(dǎo)熱管的變更方式：、打平、折彎
5．散熱片（heat plate）
? 風(fēng)扇(fan)
1．構(gòu)造
? 旋轉(zhuǎn)部分：扇葉、軸承、磁鐵
? 固定部分：軸承、感應(yīng)線圈、硅鋼片
? 控制電路
2．原理：由IC感應(yīng)其磁鐵N/S極，并由電路控制其感應(yīng)線圈，使信道產(chǎn)生內(nèi)部激磁引起旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)
3．類型：軸向型風(fēng)扇（axial）
輻射型風(fēng)扇（blower）
五、散熱設(shè)計(jì)的指南
? 在Placement設(shè)計(jì)時(shí),各個(gè)元件之間、元件與 IC之間，應(yīng)盡可能保留空間以利通風(fēng)散熱；
? 溫度規(guī)格低的元件勿靠近溫度規(guī)格高的原件；
溫度規(guī)格參考：     CPU:   100ºC                  HDD:       60ºC
N/B:   105ºC                    FDD Disk 51.5ºC
S/B:    85ºC                     CDROM:   60ºC
VGA: 85ºC                      PCMCIA:   65ºC
C/G:    85ºC                     other Ics:     70ºC
? 預(yù)留溫度規(guī)格高的 IC和元件的散熱空間
如：IC的周圍不要有比其高的零件,以利將來放置Metal plate來散熱
? 發(fā)熱量大的元件(如CPU)和散熱模組, 應(yīng)盡量靠近NB的周圍,以降低熱阻
? 散熱模組和CPU之間的介質(zhì) (TIM)，影響散熱的效率很大，應(yīng)選擇熱阻低的材料，甚至采用相變化的材料.
? 散熱模組和CPU之間的接觸壓力，在規(guī)格容許之下(100psi)應(yīng)盡可能大，并確認(rèn)兩接觸面接合完整和均勻.
? 散熱模組中作為熱交換的散熱鰭片（fin）尺寸，在與風(fēng)流動垂直的方向加大，比在平行的方向加大有效.
? 導(dǎo)熱管（heat pipe）在打扁和彎曲的使用上，有其限制，應(yīng)留意.
? 整體模組的流道設(shè)計(jì)，應(yīng)避免產(chǎn)生回流的現(xiàn)象，以減低風(fēng)阻和噪音
? 散熱通風(fēng)口應(yīng)設(shè)計(jì)大的開孔率，以大的長條孔替代小圓孔或網(wǎng)目，以降低風(fēng)阻和噪音
? 風(fēng)扇的入風(fēng)孔形狀和大小，以及舌部和漸開線的設(shè)計(jì)，應(yīng)特別留意.
? 發(fā)熱量大的 IC，盡可能放置主板上部，以免底板（bottom cover）過熱，若需放置主板下部，則需保留 IC至底板的空間, 以利空氣隔熱，氣體流動散熱,，或放置散熱片(metal plate)的空間。
1 散熱模組
1.1 散熱模組的預(yù)留空間
推薦：Coppermine：70*50*11.5mm
Tualatin：75*55*11.5mm
Northwood：85*60*19mm
1.2 散熱模組和上蓋（keyboard cover）需預(yù)留一縫隙
1.3 散熱模組的出風(fēng)口和筆記本電腦的通風(fēng)口需密封，以防熱風(fēng)重流回系統(tǒng)。若留有縫隙，會影響有效的散熱，同時(shí)還會產(chǎn)生噪音。
1.4 散熱模組必須與CPU良好接觸
1.4.1 散熱模組對CPU的最大壓力是100psi。在規(guī)格允許范圍內(nèi)，散熱模組的功效隨著壓力的增加而提高；
1.4.2 最好用4 顆螺釘 (避免 3 顆) 和彈簧將模組固定在主板上。
2 風(fēng)扇
2.1 風(fēng)扇入風(fēng)口外應(yīng)保證3~5mm空間內(nèi)無阻礙（如：圖2）
(3mm~80%，4mm~90%，5mm~100%)

圖2
2.2 通風(fēng)孔的形狀能夠確定流動阻力，好的開孔通風(fēng)效果好；
2.3 不能將阻擋物（如大的IC、接口等）放在風(fēng)扇四周或下方，以免影響風(fēng)扇的空氣流道.；
2.4 最好用橡膠代替金屬螺釘固定模組，以防振動；
2.5 風(fēng)扇空間的設(shè)計(jì)約束（如：圖3）：
2.5.1 為提高效率和降低噪音，散熱鰭片和風(fēng)扇葉片需保持距離的長度L=5~10mm；
2.5.2 保持距離的寬度W越寬散熱效率越高；
2.5.3 葉片應(yīng)靠近漸開線以便保持好的效率。
3 PCMCIA卡
3.1 不能將PCMCIA卡放在主板下、較熱的IC附近、關(guān)鍵件（HDD,CD-ROM,DVD,FDD等）上方；
3.2 如果需要將 PCMCIA 放在熱源附近，需設(shè)置空氣流道冷卻它；
（如：放置散熱片(metal plate)在 PCMCIA 上, 如果是Al片則在上面開孔, 用這種方法,空氣可以通過這些孔冷卻 PCMCIA卡）
3.3 鑒于上述解決方法, PCMCIA 應(yīng)該放置在風(fēng)扇附近以便引導(dǎo)空氣冷卻它。
4 關(guān)鍵件
因?yàn)?HDD , CD-ROM , FDD的溫度規(guī)格低, 所以需要將他們放置在溫度較低的區(qū)域. (避免將他們放置在系統(tǒng)中間, 或者放在有溫度規(guī)格較高的 IC 的主板上，一般將他們堆棧放置. ) 最好將 FDD 單獨(dú)放置, 不要將其放置在CD-ROM 或 HDD 的上下。
5 Palm-Rest 和Touch Pad
5.1 避免將溫度規(guī)格高的元件和IC放置在 Palm-Rest和Touch Pad下方；
5.2 在 Palm-Rest和溫度規(guī)格高的元件之間預(yù)留一定的縫隙產(chǎn)生熱阻, 或者增加一塊金屬將熱導(dǎo)走。
6 LCD電路板
應(yīng)該在LCD電路板和LCD cover 之間預(yù)留一定的縫隙產(chǎn)生熱阻, 或者增加一塊金屬將熱導(dǎo)走。
7 Bottom cover和內(nèi)存遮蓋片
7.1 在 IC 和Bottom cover 之間應(yīng)預(yù)留一定的縫隙 (縫隙>3mm 最好)；
7.2 在 Bottom cover上應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)大的 Al片進(jìn)行散熱；
7.3 在風(fēng)扇下主板處開一個(gè)孔以便導(dǎo)引主板下的氣流；
7.4 最好將熱的芯片放置在主板的上方；
7.5 在內(nèi)存芯片和內(nèi)存遮蓋片之間應(yīng)該預(yù)留一定的縫隙。(縫隙>1.5mm 最好)
8 主板步層
8.1 如果有IC存在散熱問題，應(yīng)該預(yù)留解決散熱的空間；
（如：不要將高的元件放在這些 IC附近 ,以便將來將 metal plate 放在 IC上）
8.2 不要將溫度規(guī)格低的 IC和元件放置在熱源或者溫度規(guī)格高的 IC或元件附近。
9 其它
9.1 最好使用比較薄的或者相變化材料TIM ( thermal interface material )
如：28W CPU
9.2 散熱模組上的導(dǎo)熱管有些限制
9.2.1 當(dāng)導(dǎo)熱管被壓扁的時(shí)候, 其厚度不可小于 2mm；
9.2.2 當(dāng)導(dǎo)熱管被彎曲的時(shí)候, 其彎曲半徑 R 至少要大于它本身直徑D的 3倍。
9.3 需在Bottom cover和筆記本電腦旁開孔, 以便引導(dǎo)空氣散熱。