产品的热设计Thermalintroductionppt课件.ppt

Introduction of ThermalGGT/RE – Environment Test TeamPrimary Mechanic of Heat Transfer Thermal energy transport: cause by temperature difference, high T -> low T ConductionHeat transferring by solid mediumConvectionTransferring energy between solid surface and fluidMass transportNatural (free) convectionForced convectionRadiationHeat transferring by electromagnetic waves Conduction Fourier’s LawQ= -KA ΔT/ΔLQ: heat transfer rateA: cross-sectional area of heat flux ΔT/ΔL: temperature gradient   K: thermal conductivity (W/mk)Ex. Al = 230     Cu = 380     Mylar = 1.8 Convection Newtonian cooling LawQc = hc As (Ts – Ta)Qc: convection heat transfer rateAs: surface areaTs: surface temperature of solidTa: tmperature of ambient   hc: heat transfer coefficient, f(flow type, body geometry, physical property, temperature, velocity, viscosity…)Natural convection & Forced convctionhc of air, natural convection: 0.0015~0.015 W/in2℃ forced convection: 0.015~0.15 W/in2℃℃ Radiation Qa = εσAF1-2( Ts4 – Ta4)Qa: radiation heat transfer rateε: emissivity, 0 ≦  ε ≦ 1σ: Stefan-Boltzmann constantA: surface areaF1-2: view factorTs: temperature of body sTa: temperature of body aThermal Resistance R = V / IV: voltage = ΔT: temperature differenceI: current = Q: heatConductionRk = ΔL/KAkConvection Rs = 1 / hcAsRadiationRa = (Ts – Ta) /εσAF1-2( Ts4 – Ta4) Basic Concepts for NB Thermal Design Thermal Design TargetThermal design must meet thermal spec. of CPU, all key components (HDD, FDD, CD-ROM, PCMCIA…), and all IC chips (Chipset, VGA, RAM, PCMCIA…), and all IC chips (Chipset, VGA, RAM, Audio…) in each user conditions Thermal ResistanceΘj-a = (Tj – Ta) / PcpuΘ j-a : CPU junction to ambient thermal resistanceTj: CPU junction temperatureTa: ambient temperaturePcpu: CPU power Basic Concepts for NB Thermal Design System Thermal Coupling effect Θj-a = (Tj – Ta – Tsys) / PcpuTsys: system temperature = Psys *Θ   = ΣPi*θi, (i: DRAM, Chipset, HDD, FDD, CD-ROM…)R: thermal coupling factor between Pcpu and PsysTj: CPU spec. for Intel: 100℃Ta: OEM spec., 35℃Θj-a, Tsys: OEM design dependent, Tsys = 10~15℃ Basic Concepts for NB Thermal Design Thermal SolutionsØPassive thermal solutionØActive thermal solutionØHybrid thermal solutionRHEØRemote Heat ExchangerBasic Concepts for NB Thermal DesignCharacteristic of a good passive components1.Spreader plate connected to CPU should be as large as possible2.Temperature variation on spreader plate should be minimalCharacteristic of a good active component1.Air inlet and outlet should be clearly defined2.Length of air passage through NB should be small to keep pressure drop low, flow rate high3.Possible reduce noise level of the fan4.Design must be capable of venting a portion of hot air from NB inside Important Components For Thermal Design   Heat Sink  Heat Pipe  Fan  TIM ( Thermal Interface Material)  Combination of aforementioned components Heat Sink MaterialMaterial         :  A1050      A6063      ADC12       C1100K(W/mk)        :   230         210   192        384Specific gravity:  2.71         2.69   2.70         8.92ProductionDie-castingExtrudedQ = -KAΔT/ΔLFin, Q = hAΔTDie-casting, extrusion, folder, stack, soldering fins Heat Pipe Basic configuration and characteristicBasic specificationMaterial: copperWorking fluid: pure waterStandard working temperature: 0~100℃Size: ψ3, ψ4, ψ5, ψ6, ψ8Typical heat pipe wick structuresFiber, mesh, groove, powderTypical modification of heat pipeFlatteningBendingHeat Plate Fan StructureØRotator: magnetic blade, shaftØStator: bearing, wire, stainless plateØControl circuitTheoryTypeØAxial fanØBlower fanSelectionØTotal cooling requirementQ = Cp * m * ΔT = ρ* Cp * CFM * ΔTØTotal system resistance / system characteristic curveØSystem operating pointFan Parallel and series operationAcoustical noise level (dB)To achieve low noise should considerØSystem impedanceØFlow disturbanceØFan speed and sizeØTemperature riseØVibrationØVoltage variationØDesign considerations TIM Thermal Interface MaterialØTo reduce contact thermal resistance between CPU die and thermal moduleImportant of TIMMaterialØVarious material: silicon-base, carbon…ØNon-phase changeØPhase change Pressure effectØPressure spec. on CPU spec. 100psiThermal Design ProcedureClarifyClarify Thermal Specification Thermal SpecificationDesign Thermal SolutionDesign Thermal SolutionAnalytic ApproachEvaluate Solution PerformanceNumerical ApproachExperiment ApproachVerifyDesign Thermal SolutionDesign Thermal SolutionEvaluate heat generationAllowable thermal resistanceAllowable design spaceEvaluate Chassis heat dissipationEvaluate heat exchange areaEvaluate fan flow ratePassFailInspect Structure.Production method.Cost…Recommend Thermal SolutionThermal Test in Working SampleVerify Overall SystemMeeting Thermal SpecificationThermal Design OK!Examine and ModifyThermal SolutionPassFailThermal Design GuidesDesign guide for thermal (Ver. 0.2) Thank You!fiberMesh細絲(銅絲)螺旋彈片銅网groove直接加工而成Powder 類型: 金屬粉末燒結在Heat Pipe內壁, 形成毛細結構NNNNSSSS無刷馬達轉動原理無刷馬達轉動原理有Hall IC 感應其磁鐵N.S.極, 經由電路控制其線圈之導通產生內部激磁使轉子部旋轉CFM(ft3/min)Static pressureSystem resistance curveFan curveSystem operating point1.Thermal Module 1)Reserve space for thermal module (Intel recommendation)Coppermine: 70*50*11.5mmTualatin: 75*55*11.5mmNorthwood:  85*60*19mm 2)It should reserve a gap between thermal module and top cover (keyboard cover) 1. Thermal Module3)The gap between thermal module exit and NB case vent should be sealed well so the hot air couldn’t flow back to system. If leave an open gap along air flow path, it will affect thermal efficiency and acoustic noise. 1. Thermal Module4)The thermal module and CPU should contact well. a)The max pressure of the thermal module on CPU is 100psi. Within SPEC, efficiency of thermal module increases with pressure. b)It’s better to fix module on M/B by four screws (avoiding three screws) and spring design. 2. Fan 1)Fan inlet constraints: gap 3~5mm is needed.3mm ~ 80% performance4mm ~ 90% performance5mm ~ 100% performance2)Configuration of air inlet & outlet vents can make dramatically flow resistance; therefore high open rate is better. 2. Fan3)Don’t place blocks (large ICs or connector) near or below the fan to affect airflow induced into fan.4)It is better for fixing fan by rubber instead of metal screws to avoid vibration.  2. Fan5)The fan space design has some restrictions. a)For efficiency and acoustic, the gap between fins and fan blade should keep a distance of L= 5 ~ 10 mm. b)The distance W is better to keep as large as possible for good efficiency. c)Fan blade should close to fan tongue for better efficiency. 3. PCMCIA Card 1)Don’t place PCMCIA on lower side of M/B, near hotter ICs, and stacked up key components (HDD, CD-ROM, DVD, FDD…). 2)If it needs to place PCMCIA near heat source, it is necessary to induce airflow to cool it.(Ex. For J2I++, L1R, it is removed metal plate on PCMCIA slot and makes holes above PCMCIA if there is an Al plate upon it. By this way, air can flow through this area to cool PCMCIA card.)3. PCMCIA Card3)Due to aforementioned solution, PCMCIA should place near fan in order to induce airflow to cool. 4. Key Components 1)Because HDD, CD-ROM, FDD thermal SPCE is low, these key components need to be placed in colder region. (Avoid placing them in the middle of the system and upon M/B with hot ICs, and stacking up each other). 2)It’s better to place FDD alone, not to put on/beneath CD-ROM or HDD. 5. Palm-Rest and Glid Pad 1)It should avoid placing hot components and ICs below palm-rest and glid pad. 2)It should reserve a gap to make a thermal resistance between palm-rest and the hot components or to add a metal plate for spreading heat. 6. LCD Inverter It should reserve a gap between Inverter and LCD cover to make a thermal resistance or to add a metal plate for spreading heat. 7. Bottom case and Dimm Door 1)It should reserve a gap between IC chips and bottom case(gap > 3mm is better). 2) It might have a large Al-plate on bottom case for spreading heat. 3) M/B has a hole below fan in order to induce airflow under M/B. 4)It’s better to place hotter chips on upper side of M/B. 5)It should reserve a gap between Memory chips and dimm door (gape > 1.5mm is better). 8. M/B Layout 1)If there’s thermal issue of ICs, it should reserve space for thermal solutions(Ex. Don’t place higher components beside these ICs, so it could put metal plate on ICs in future) 2)Don’t place low temperature spec ICs and components near hotter region or high temperature spec ICs and components. 9. Others 1)It’s better to use the thinner or phase change TIM (thermal interface material)Ex. 28W CPU(phase change)         Powerstrate         0.08mm        75℃      (phase change)         T-pcm                 0.25mm       83℃                                     T-pcm                 0.50mm       86℃      (phase change with Al)                                     T-mate                0.50mm       83℃       (non-phase change)  Tx                      0.25mm       90℃                                     Tx             0.5mm       96℃9. Others1)Heat pipes on thermal module have some restrictions 2)The thickness shouldn’t be less than 2mm when be made flat. 3)The curve radius should be larger than triple diameter at least when be bended. 4)It might need some holes on bottom case and sidewall of NB in order to induce airflow to dissipate heat. 3~5mmAir flowFan 3mm ~ 80% performance4mm ~ 90% performance5mm ~ 100% performanceFan BlocksBad designLWTongue該縫隙越小該縫隙越小Fan 效效率越高率越高, 但但Noise 也會隨之上升也會隨之上升L: 太大太大, Fan效率效率下降下降; 太小太小, 噪音上升噪音上升.W: 作為風道作為風道, 盡盡量大量大Single fanDouble fanParallel CFMPressurePressureCFMSingle fanDouble fanSeriesTIM: thermal interface material考慮將散熱器固定於發熱器件的方法時, 重要的是要使二者之間界面熱傳到處效率最大.也應考慮其他要求, 如介電特性, 電導性, 附著強度和再次安裝的可能性.發熱組件和散熱器之間界面的熱傳輸效率取決於空氣殘留, 填充物類型和黏合曾的厚度等參數.方       法優          點缺      點機械安裝有助於散熱; 可即時安裝空氣間隙導致較差的傳導率;緊固件導致壓應力帶矽樹脂的機械安裝(有/無雲母墊片)好的導熱率流程控制困難; 由移植和灰塵造成的污染會引起接觸不良帶可壓縮墊片和墊料的機械安裝較好的導熱率;無移植問題嚴重的扭矩變化會導致難以防止緊固件鬆動帶還氧樹脂黏合劑的黏合良好的導熱率;壓力均衡(可避免鬆動); 無移植問題要求混合; 罐裝壽命有限;熱固性不允許在線安裝相變化材料良好的導熱率重複性使用差。