计算机设备的热设计

计算机设备的热设计
张兴旺
(山西省国际经济贸易信息中心,山西　太原　030002)
摘　要:简述了温度对计算机设备的影响、计算机设备热设计的重要性、设计原则和方法,以
及为了提高计算机设备可靠性所应采取的措施。
关键词:热设计;冷却方式;热传导;热对流;热辐射中国可靠性网[url]http://kekaoxing.com[/url]
中图分类号:TP3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-3474(2001)01-0036-05
TheHeatDesignofComputerEquipment

在影响计算机设备性能和可靠性的诸多环境因素中,温度可谓首当其冲。

计算机设备和其它设备一样,其功率损失通常都是以热能形式散发出来,表现为设备的功耗,其转变成热能,成为设备温升的原因,同时设备周围环境温度,也会影响到设备内部温度,而设备内部的元器件都需要一个合适的工作温度,过高的温度会使其性能和可靠性下降,引起设备不能正常工作或失效,此外计算机设备正在向小型化、多功能、大功率方向发展,因此集成电路芯片集成度越来越高,单位面积内集成的元器件数量越来越多,

例如Ⅲ500CPU芯片,其集成的元器件数量已超过百万之多,其温度显著提高,虽然采用散热片、风扇等措施来降温,但仍然达不到所要求的效果,厂商不得不把其工作电压Vcc由早期芯片的5V降至3V,甚至更低,以减小其功耗,控制其内部温度,保证其正常工作,所以通过热设计来降低元器件工作温度是提高设备可靠性的有效方法之一。所谓的热设计就是把设备的热输入降至最低,并提高散热效果,把设备内部有害的热量排出机外,降低其工作温度,获得设备必需的性能和可靠性。因此,设备的热设计和线路设计、结构设计同等重要,这是因为电子元器件失效率随其温度而变化见表。有好处。室内使用的计算机设备可采用空调设施控制室温不超过规定的范围,但是还有很多设备因需要工作在野外、车船或飞机上,环境比较恶劣,夏季环境温度可达50℃,甚至更高,加上设备功耗,其内部元器件工作温度就可想而知了。因此,除采用耐高温的元器件外,行之有效的办法就是采用热设计。

1　热设计的程序和原则应该指出计算机设备的热设计不是与设备的电路、结构设计无关或在电路、结构设计完成后才进行的设计技术,而是应该与设备的电路、结构设计密切相关同步进行的。首先根据设备使用的环境和特点,对其热性能进行评估,评估一般采用元件应力分析法,先确定设备可靠性要求和各元器件失效率允许的最高温度,以便建立从每个元器件到散热片的热流路径,为了对设备的传热性能进行分析,研究设备内部热量来源和传播方式、控制机内温度,可以采取以下步骤:(1)对设备的热性能进行评估,确定散热片的最低、最高极限温度;
(2)确定采用合适的冷却技术(散热技术);
(3)通过对元器件最大允许温度和散热片最大环境温度条件的模拟,建立散热网络,计算元器件到散热器间的热阻;(4)根据所采用冷却技术,选择能满足热阻要求的封装技术和元器件安装方法;
(5)估算所选冷却方法的费用,以便核算成本。另外还要根据设备内元器件的特点和性能进行分析,研究如何降低其温度,控制机内温度上升。现介绍如下。
(1)半导体器件:尽可能加大它和散热片接触面积,并使接触面光滑而且采用特定的热垫把器件和散热片或安装件之间接触热阻降至最小;安装部位应远离高温发热部件、元器件或者与其隔离;采用垂直安装并与冷却气流方向一致的散热片,散热片表面应喷漆或镀层以提高辐射能力。

(2)电容器:安装部位应远离热源或与热源隔离。

(3)大功率电阻:应安装在空气对流较好的位置,并使用固定装置和灌封材料,以便更好地把热量传输到散热片上。另外电阻的引线要尽量短。
(4)变压器和大功率电感线圈:设计上应提供专用传热通道,以提高热传导效率,安装位置应在空气对流或冷却效果较好的位置,并远离对热敏感的部件,必要时可采用屏蔽和散热装置。

(5)集成电路:集成电路特别是大规模集成电路安装位置尽可能远离发热部件;在保证其电性能正常的前提下,降低工作电压,减小功耗,必要时可加散热片和风扇,提高其散热效率。

(6)印制电路:尽量采用较大面积导线;在多层印制板中使用金属夹心板,以保证这些多层板到支撑件和夹心散热件间良好的散热;若需要还可以使用防护涂层和灌封材料,加快热量传输到支撑件或散热片上。中国可靠性网[url]http://kekaoxing.com[/url]2　计算机设备热设计问题的考虑热设计技术是研究设备热量来源和传播方式,控制设备内温度上升,保证设备性能和可靠性的一项技术。一方面因设备本身的固有规律,要产生热量而使机温上升,另一方面受材料和元器件耐热性的限制,又不允许设备温升超过规定的范围,所以我们要分析兼顾两者间关系,采取必要的措施,保证设备良好的性能和可靠性。在设计上应选用温度性能较好的元器件,对于上机的元器件,应采取筛选工艺,淘汰热性能不好的元器件,对于特殊要求的设备,所使用的元器件可采取降额使用方法,在触点材料中,用钨、铂、银或铂金代替铜。另外为了减小设备发热量,在设计上尽量采用小功率及执行元件。例如:元器件的供电电压,在保证电性能指标前提下,应尽量降低。例如:现在微机的CPU的供电电压Vcc已由早期(80年代)5V降到3V,甚至更低,以降低其功耗。但也有一些设备,如Accton1208集线器的供电电路,把300V的直流电压通过100K的大功率电阻降压到5V,再供给UC3824芯片,这样的方法就不可取,此外,还可以用冷却的方法降低机内温度而加速元器件散热。它包括风冷、导热、辐射等措施。应该指出并非所有的设备都要进行专门的热设计,在一般功耗较小,连续工作时间不是很长(≤8h)的设备,就没有必要专门热设计,但必须对设备的散热问题给予足够的重视,对于设备内部元器件的排列要合理,尽量利用本身的条件自然散热,只要保证在一般的条件下,设备内部温升不超过规定值,能可靠地工作就行了,只有在一般散热手段还不能解决问题时,才考虑采用专门的热设计。实践证明,高温是影响设备性能和可靠性的重要因素之一,所以散热是热设计的首要问题但是不应片面理解热设计就是散热设计,热设计广义的理解应该是:保证产品在适宜的环境下工作,并使产品有足够的环境适应能力,保证设备有良好的温度稳定性的一种技术。若设备内温度较高或处于高温下工作,那么散热就是设备热设计的主要问题;相反有很多设备恰恰是在低温下工作,而且很多元器件低温下失效率又很高,这时除选择耐低温的元器件外,在设备关键的部件采取加温和恒温措施则成了热设计的主要课题。因此计算机设备的热设计应考虑到以下几点:
(1)控制设备内温度在所规定的范围内,求得设备温度稳定性,保证设备具有在规定的时间内、规定的条件下完成规定的工作任务的能力;
(2)可靠性:计算机设备热设计的温度控制稳定装置在规定的期限内,其可靠性要大于设备的可靠性,必要时可采用冗余措施,提高其可靠性;
(3)可维修性:设备中的温度控制稳定装置要和计算机设备中的部件一样易于检修、更换;
(4)性能价格比:热设计的成本也是一项重要指标,既要保持设备良好的温度稳定性,又要有较低的成本,使其具有较高性能价格比。

3　计算机设备热设计的原理和方法通常半导体器件的极限温度为120℃(锗)和200℃(硅),而大规模集成电路芯片温度一般不能超过85℃,这样靠自然冷却(散热)来控制机内温度已难以凑效,因此计算机设备热设计则须采取强制冷却(散热)措施,通常冷却(散热)有以下几种:

3.1　降额使用:设备工作时,其中的元器件特别是大功率元器件,如大功率晶体管、集成电路、电阻等热源部件功耗就会在设备内部产生有害的热能,而元器件温度和其功耗近似成正比,其功耗降低温度也会降低,这就是所谓的大功率元器件要降额使用的道理之一,当然降额使用是在保证设备的电气性能指标实现的前提下进行的。既要考虑元器件降温要求,同时还要考虑设备电气性能指标实现,是计算机设备设计中必须考虑的重要因素之一。
3.2　隔热:在有些情况下,元器件过热不是由于其功耗,而是离发热元件太近的缘故。例如:晶振、电容等元件功耗很小,即非热量元件,但它们对高温却很敏感,如离发热元器件太近,则会导致工作不稳定或失效。另外所有的电子元器件对温度都是很敏感的,过高的温度均会导致它们工作不正常。所以除对发热元器件降温外,还应将它们与热源隔离
3.3　热传输:据热力学原理可知,只要有温差存在则会有热传导、热对流和热辐射产生,其原理在工程上应用分别叙述如下:3.3.1　热传导:热传导是指直接接触的物体各部分热能的交换。可用(1)式表示。Q=KAdtdx≈KAL△T(1)式中:Q—热传导传递的能量;△T—材料两端温差;K—材料导热系数;L—传导路径长度;A—沿传导方向横截面;X—热流路径。各种材料导热系数不同,K值越大导热性越好。

提高传导散热效果的措施有:
(a)采用导热系数大的材料制造传热零件;
(b)尽量加大导线横截面,减小电路阻抗;
(c)尽量减小机械接触面接触热阻,方法是提高接触面平整度、光洁度,增加接触面压力,金属与金属接触可采用焊接方法;
(d)把大功率有源器件装在机壳上(注意元器件极性要求),使热传导路径最短。并且在热传导路径中不应有隔热和绝热材料;
(e)采用导热屏蔽罩传导元器件上的热量,屏蔽罩可以和机壳相接并接地。

3.3.2　热对流原理及应用:热对流是依靠发热体周围介质流动转移热量的过程。因流体运动起因不同,热对流可分为自然对流和强迫对流两种,自然对流是冷热流体密度不同引起的流动;强迫对流是依靠外力造成冷却流体内压力不同引起的流动,对流中热转移的计算取决于发热体的几何形状,表面大小、方向及周围空间的温差。自然对流:从发热体表面到周围空间热流方程:QC=0.000394CA(△T)1.25/(L)0.25　　(2)式中:QC—热量;C—常数,由物体壁面方向决定;A—物体表面积;△T—物体表面与周围空间温差;L—特征长度,由物体壁面方向及形状决定。不同几何形状表面的常数C和特征长度值见表2。强迫对流:强迫对流热流方程:QC=KS△T