Transcript 散热对电子电路的
散热对电子电路的意义及其常 用的散热方式 学生：黄义权[10][23] 彭雪琴 [67][23] 袁跃鑫[68][23] 指导老师： 陈永强 • 摘要：我们生活的世界并不是一个理想化的 世界。受材料的影响和技术的限制，在对电 子电路应用和电气原件的使用过程中，往往 伴随着热量的产生。热量的产生不仅意味着 资源的浪费，同时也将对电子原件的性能和 寿命造成较大的影响。因此，电子元件的散 热问题是我们必须面对并且解决的问题。我 将通过本文对电子电路的散热方式做初步的 探讨。 • 关键词：电子电路 发热 散热方式 • 引言 • 由于电路中的导线存在电阻，在工作过程中 无法避免地产生热量，影响电子元件的性能 和效率，并降低了电子元件的使用寿命。因 此，“散热”是电子元件乃至电器制造过程 中一个重要的环节，它关乎电子元件和电器 的性能。同时，“散热水平”也是考量一个 制造商科技水平和设计水平的重要因素。 • 1、电子电路的发热 • 1.1电子元件为什么会发热 • 电子元件或电器中有精密的电子电路，电子 电路中的导线受限于材料自身的特性，具有 一定的电阻。当电子电路通过电流时，导线 内的电子在电场力作用下做定向运动时，会 与金属离子不断碰撞，碰撞时把一部分动能 传给离子，使离子的热运动加剧，导致发热。 因此，电流越大，电阻越大，碰撞就越频繁、 剧烈，发热就越多。 • 图1 电子电路 • 1.2热的传播 • 热的传播有三种方式，传导、对流和辐射。 • 传导是由分子运动引起的。位于高温处的分子具有较高的 动能，这些动能通过分子之间的碰撞从一个传向另一个， 从而向周围传播。采用散热器的散热装置，在散热器与空 气的接触面上，能量是靠传导方式由散热器分子传向空气 分子的。 • 在对流方式中，空气会因温差而自 行流动，或者在风机作 用下强迫流动，于是将热能带走。 • 在辐射方式中，能量不是靠物质运动，而是 • 靠包括从紫外线到红外线的所有不同波长的电磁 • 波来传播的。 • 由此可见，热是能量存在的一种方式，而热的传播是能量 的流动。这种能量的流动叫热流量，简称热流。通过传导 方式传播的热能将直接对与发热区域直接连接的区域造成 影响，而通过对流和辐射传播的热能将应道发热区域周边 的区域。 图2 热的传导 • 1.3电子元件发热的危害 • 电子元件发热带来的危害可以看成温度对电子元 件的影响。电子元件受材料特性和制造水平限制， 都有其自身的最佳工作温度，高于或低于其工作 温度都将影响其工作状态，甚至对自身造成损坏。 本论文只讨论过高的温度对电器电路的影响。当 电子元件的温度较高时，如果原件无法被散热， 将会产生极高的温度， 从而引发电子迁移现象。 电子迁移是电子高速流动时， 会导致金属原子发 生迁移。 电子迁移对芯片的损坏是 一个缓 慢的过程，一旦发生线路损坏，情况 • 会越来越严重，最后会造成整个电路短路。电路 被短路产生的高温甚至可以使的整个原件产生燃 烧、爆炸等现象，对人身和建筑的安全构成极大 的危害。 图3 电器自燃 • 2.电子电路的散热 • 2.1散热的必要性 • 电子电路的散热好坏直接关系到电子元件在工作时的性能、寿命、和 安全。因此，散热在电子电路设计中必须考虑因素。 • 2.2散热的技术性 • 近几十年来伴随科技的发展，如今应用到电子电路上的散热方式多种 多样，散热的性能也得到逐步提升。只要科技的脚步不停歇，那么散 热技术的发展也就不会停止。那么人类也将可以得到在高科技技术下 支撑下良好的散热效果和工作体验。 • 2.3散热的经济性 • 最好的散热技术不代表一定能应用到实际生产中，这其中要考虑到散 热在应用中的成本问题，也就是经济性的问题。同时，散热的经济性 是和技术性密切相关的。优秀的散热技术性可以降低产品的散热成本， 提高散热效果，从而提高散热的经济性。 • 2.4散热的商业性 • 任何被生产出来的电子产品都将被投放到市场上销售。盈利才是制造 商的初衷。散热的商业性对于制造商而言尤为重要。好的散热技术可 以成为制造商打广告的噱头，成为商品的一大吸引顾客的卖点。同时 在制造商降低了生产成本、节约了开支的情况下，提高了利润，更可 以在强大的散热优势下打出低价牌。因此散热是一种技术，也是一种 工程的艺术！ • 2.5散热的方式 • 基于热能传播有传导、对流和辐射几种方式，根据原件具 体的特性、所处的环境以及成本的考虑，可以制定最合理 的散热策略。通常针对电子电路的特点，散热的方式有以 下几种： • （1）高发热器件加散热器、导热板:当电路板中有少数器 件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或 导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以 增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个),可采用大 的散热罩(板),它是按电路板板上发热器件的位置和高低而 定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同 的元件高低位置。 • （2）通过电路板板本身散热:目前广泛应用的电路板板材 是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量 使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能 和加工性能,但散热性差,作为高发热元件的散热途径,几乎 不能指望由电路板本身树脂传导热量,而是从元件的表面向 周围空气中散热。 • （3）采用合理的走线设计实现散热:由于板材中的 树脂导热性差,而铜箔线路和孔是热的良导体,因此 提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。 • （4）对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将 集成电路(或其他器件)按纵长方式排列,或按横长 方式排列。 • （5）避免电路板上热点的集中,尽可能地将功率均 匀地分布在电路板板上,保持电路板表面温度性能 的均匀和一致。 • （6）将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最 佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制 板的角落和四周边缘,除非在它的附近安排有散热 装置。 • （7）高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它 们之间的热阻。 • 3.1散热实例举例—笔记本电脑的散热 • 笔记本的主要散热首先当然是来源于 CPU 这个发 热大户，不过在笔记本中，CPU 的热量却不是整 个笔记本热量的全部。 并且早期的 CPU 处理器 发热量并不是非常 的大，只需要有简单的被动散 热方式即可以满足机器的散热需要，也就是大家 平 常熟知的散热片散热。不过随着 CPU 处理器 的不断升级，处理器的散热需求可算 是非常迫切 了。 其次，显卡的热量也占了不小的比例，早期 的显卡热量不是很大，不过现在很多 高端机器经 常配置好显卡，于是热量也跟着增加了不少。然 后，就是其他的一些 发热配件，比如内存、硬盘、 电池等，也是笔记本发热量的一些来源。 通常， 笔记本有以下散热方式： • (1)风扇散热。目前很多笔记本的散热方式 之一是 风扇散热。风扇分为轴向型 风扇 和辐射型风扇两种。一般来说，轴向型风 扇，成本较低，风量可以根据需要调节， 不过占用的体积比较大，无法将笔记本做 得很薄。另一种辐射型风扇叶片 很薄，气 流方向很好，无涡流，占用体积较小，不 过成本相对较高，但是大多数 笔记本普遍 采用，主要是考虑到减小笔记本的体积。 图4 风扇散热 • （2）热管散热。热管散热最初由 IBM 引进，由 于热管比较适用于那些体积空间较 小、短时间散 热、热源附近空间较小的机器，热管散热技术在 笔记本中越来越多 地得到使用。 • （3）双风扇散热。这样的散热方式往往出现在性 能比较强劲的一些机器上，一个 风扇肯定是为 CPU 散热服务的， 而另外一个则是根据机器情况 的不同而给不同的 地方散热，有的机器是为显卡 散热，有的机器则仍然为 CPU 服务。双风扇的设 计 会更加省电，因为单风扇时必须使用大功率， 双风扇则无须如此，这样就可以减 小噪音。CPU 使用双风扇，只需要低功率的风扇，并根据热量 来运行，就会有更低的噪音，并且延长寿命。 图5 热管散热 图6 双风扇散热 • 4）通过机器自身散热。一些超轻薄的机器由于自 身体积的限制，无法安装风扇 散热，就利用机器 自身的部件来散热，通过键盘辅助散热和机器金 属外壳将机器 自身内部的热量散发出去。 • （5）水冷散热。顾名思义，水冷散热就是利用水 来代替空气，通过水的运动在散热片之间通过热 对流来带走多余的热量。水冷系统的工作原理很 简单，就是利用水泵把水从储水器中抽出来，通 过水管流进覆盖在CPU上面的热交换器，然后水 再从热交换器的另外一个口出来，通过水管流回 储水箱，就这样不断循环，把热量从CPU的表面 带走。整个水冷系统包括热交换器、循环系统、 水箱、水泵和水等。水冷系统的散热能力非常强 劲，非常适合一些超频爱好者采用。 • 6）液冷散热。严格地说，液冷散热的原 理和水冷散热相同，它们采用的散热方式是 一样的，不同的是在循环系统中流动的书导 热硅而非水，这样的好处显而易见，它不会 由于循环系统的破坏使得 流出的硅油导致 电脑硬件的损坏。 • 除了以上介绍的主动散热方式外，还有半导 体致冷片散热、压缩机制冷散热、液氮散热 等方式。 图7 液冷散热 • 4.结束语 • 本人是一个数码产品爱好者，关注手机、相机，电脑和平 板等产品的发展。由于转专业至电气工程，专业知识有限， 不敢班门弄斧.恰逢最近在挑选笔记本，对笔记本的散热性 比较关注，所以选择了《散热对电子电路的意义及其常用 的散热方式》这个专业性较弱，科普性较强的课题，同时 根据自己的兴趣，勉强为之。 • 通过以上1、2、3部分的探讨，我对电子电路的的产热原 理，发热对电气器件的危害和电子元件的散热方式有了更 深入的了解，明白解决电子元件的散热问题乃至解决以后 工程上遇到的问题，都要具体问题具体分析，从高效性、 技术性、经济性等方便综合考虑，得到最优的结局方案。 本论文既为我挑选电脑等电子产品起了一定的指导作用， 同时激发了学习电子技术的兴趣，做到了学以致用，学用 双馨！ • • • • 参考文献 [1] 《数字通讯》,数码产品期刊杂志 [2]数码论坛 [3]《电子技术模拟部分》（第五版），康 华光，[M],北京：高等教育出版社，2006 （12） •谢谢！