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华为单板热设计培训教材

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五、单板强化散热措施
1、PWB热特性
1)FR4导热系数0.3W /(m*K),铜导热系数380W /(m*K)。
2)PWB是FR4和铜组成的分层复合结构,由于Cu与基材导热性能的差 异,多层PCB基板导热特性为各向异性,整体的导热系数是各向异性 的,相似的材料如石墨、木材。
3)在PWB平面方向导热系数高,一般范围在10~45W/(m*K)
4)在PWB法线方向导热系数很低,0.3W /(m*K)附近。

2、PWB强化散热措施
针对PWB的特点,PWB强化散热的核心思路为:
1、把器件的热量传递到PWB内部,减少器件向PWB的传热热 阻,可采取的强化散热措施是:在单板上打过孔在单板表面铺铜皮

2、把PWB一点积聚的热量(从器件传入的)扩散到整体PWB 的表面,再通过对流和辐射传递到外界环境中,可采取的板 级强化散热措施是:
增加单板含铜量,降低热量在单板平面方向传递的扩展 热阻。

1)散热过孔设计
散热过孔主要作用是层与层之间的热连接以及增加法向上的导热能力。
单考虑过孔是没有意义的,因为热量必须从四周汇集到过孔的位置,因此必 须考虑过孔区域整体的传热情况。
单纯从导热系数的分析看,是否塞孔 对导热系数影响很小。
 不塞孔容易产生漏锡,焊接面有空穴。 焊锡漏到背面影响平整度。
 从实际的热测试对比看,三种处理方 式的散热效果排序为:

塞焊锡>塞阻焊>不塞孔

PWB上设计有大量的过孔,但对于热设计来说,真正起到散热作用 的只有器件PAD底部的过孔和器件接地管脚旁边的几个过孔,这部分过 孔的设计就非常重要。过孔的作用是把器件的热量传递到器件正下方的 PWB内,并不能实现热量在PWB内的扩散。增加过孔的数量可以降低器 件与PWB的传热热阻,但是过孔达到一定量后对散热的改进幅度会降 低,另外过孔设计也收到单板工艺能力的限制,可以通过热分析优化确 定过孔的数量。热设计 https://www.resheji.com
测试和分析研究表明,散热最优的过孔设计方案为:孔径10~ 12mil,孔中心间距30~40mil,也可以根据器件的热耗水平和温度控 制要求对过孔数量进行优化


PWB铜皮的作用是把局部传入PWB的热量扩展到更大的范围 内,因此增加铜皮的厚度可以增强传热效果。PWB内铜皮只有连续 的铜皮才能起到传递热量的作用,因此需要注意铜皮的分割。
2)增加散热铜箔的层数、铜箔厚度对于平面方向的导热性能改善高于法向方向 上导热性能的改善。

增加散热铜皮面积,对底部散热型器件的散热能力增强。面积增加对器件散热能力改善有效性有范围。


板级流量管理技术

局部交叉风道技术,通过二次引入冷却气流强化后端级联器件散热,实现流量按需分配,降低单板上器件的级联效 应50%。该技术解决了UTP 40个双层级联光模块的散热难题,比原系统支持光模块数量增加28个,友商尺寸规格单 板目前只支持24个光模块的级联使用。目前该项技术在数通NE40应用,可以达到CISCO的出线阵列数量的最高水平。 光网6800高密排布单板中准备应用该技术。

旁流抑制技术(Bypass Control Technology,BCT),通过开发漏斗形进风口、导流板等气流管理模块,实现对特 定器件区域的局部强化,以利用气流的冲刷效应达成改善HOTSPOT器件散热的目的。该技术在满足同等系统功耗条件 下,可降低风量需求15%。该技术在光网6040系统LOM单板上应用,使电源模块温度降低达25℃,解决瓶颈散热问题 ; 数通NE40E-4系统Lanswitch单板采用该技术后光模块壳温对比降低达10℃,支撑数通单槽位450W散热能力;


六、单板布局原则
1、基本原则
1)发热器件应尽可能分散布置,使 得单板表面热耗均匀,有利于散热。
2)不要使热敏感器件或功耗大的器 件彼此靠近放置,使得热敏感器件 远离高温发热器件,常见的热敏感 的器件包括晶振、内存、CPU等。
3)要把热敏感元器件安排在最冷区 域。对自然对流冷却设备,如果外 壳密封,要把热敏感器件置于底 部,其它元器件置于上部;如果外 壳不密封,要把热敏感器件置于冷 空气的入口处。对强迫对流冷却设 备,可以把热敏感元器件置于气流 入口处。


2、强迫风冷的器件布局原则
1) 参考板内流速分布特点进行器件布局设计,在特定风道内 面积较大的单板表面流速不可避免存在不均匀问题,流速大的 区域有利于散热,充分考虑这一因素进行布局设计将会使单板 获得较优良的散热设计。
2)对于通过PWB散热的器件,由于依靠的是PWB的整体面积 来散热,因此即使器件处于局部风速低的区域内,也并不一定 会有散热问题,在进行充分热分析验证的基础上,没有必要片 面要求单板表面风速均匀。
3) 当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时,器件尽量 沿着气流方向错列布置,可以降低上下游器件相互间的影响。如无法交错 排列,也需要避免将高大的元器件(结构件等)放在高发热元器件的上方。
4)对于安装散热器的器件,空气流经该器件时会产生绕流,对该器件两 侧的器件会起到换热系数强化作用;对该器件下游的器件,换热系数可 能会加强,也可能会减弱,因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别 关注。
5)注意单板风阻均匀化的问题:单板上器件尽量分散均匀布置,避免沿 风道方向留有较大的空域,从而影响单板元器件的整体散热效果。
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