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电子产品的热设计基础(初级版)李文博2016/7/271介绍•什么叫热设计？•热设计就是根据电子元器件的热特性和传热学的原理，采取各种结构措施控制电子设备的工作温度，使其在允许的温度范围之内。•为什么要进行热设计？•高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；温度过高还会造成焊点合金结构的变化，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。2016/7/272介绍•热设计的目的控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。2016/7/273介绍•热设计的三个层次-元件级的热设计：主要研究芯片内部结构及其封装形式对传热的影响，计算及分析芯片的温度分布。对材料、结构进行热设计，降低热阻，增加传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。主要由元器件的生产厂家完成。-电路板级的热设计：主要研究电路板的结构、元器件布局对元件温度的影响以及电子设备多块电路板的温度分布，计算电子元件的结点温度，进行可靠性预计。对电路板结构及其元器件进行合理安排，在电路板及其所在箱体内采取热控制措施，达到降低温度的目的。主要由电子设备设计人员及可靠性设计人员完成。-环境级的热设计：主要是研究电子设备所处环境的温度对其的影响，环境温度是电路板级的热分析的重要边界条件。采取措施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下工作。可由产品开发人员或用户完成。2016/7/274•主要内容：热设计的基本理论、基本数据、设计原则、测试方法及相关测试仪表。•热设计的基础知识：热设计基本概念与术语、散热的基本方式、热电模拟法、热路及热网络•热设计的基本要求及一般设计准则：通过实例分析，讲述热设计的设计要求及准则。•风扇的基本知识：风扇的选型方法，应用准则。•热界面材料：热界面材料的种类、选型准则。•热设计验证方法：热测试相关的仪器/仪表的特点/及使用场合/注意事项、如何减少热测试误差的方法及注意事项。•热设计的验证标准：热设计的验证标准。2016/7/275概述热设计的基础知识•热设计的基本概念热特性：设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。导热系数：表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃。对流换热系数：反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与固体壁面的温差为1℃时，在单位时间通过单位固体换热面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃。热阻：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。2016/7/276热设计的基础知识•热设计的基本概念温度稳定：当设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每小时变化波动范围在±1℃内时，称温度稳定。设备外部环境温度：设备达到稳定温度时距离设备各主要表面几何中心80mm处空气温度按各表面积的加权平均值。机柜/箱表面温度：设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均值。热点：元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。热点器件指单板上温度最高和较高的器件。温升：元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。用符号Δt表示。2016/7/277热设计的基础知识•热设计的基本概念温度与温升的区别：温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。风道的局部阻力与沿程阻力：局部阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失。表征温度的方式：表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下：TK＝273＋Tc,Tc=5(TF-32)/9层流与紊流(湍流)：层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流阻小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流阻大。根据流动的雷诺数大小来判断。2016/7/278热设计的基础知识2016/7/279LaminarFlow层流（流体分子的流线相互平行，互不交叉）TurbulentFlow湍流（流体分子不规则运动）热设计的基础知识•热量传递的基本方式热量传递有三种基本方式：导热、对流、辐射它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现2016/7/2710热设计的基础知识•导热导热(热传导)的机理：热传导是不同温度的物体（固体，液体，气体）直接接触或物体内部不同温度的各部分之间能量交换的现象。传导过程中，能量主要通过以下方式传递:•自由电子的运动（固体金属）•分子晶格振动弹性波的作用（一般固体和液体）•分子不规则热运动时的相互碰撞（气体）2016/7/2711热设计的基础知识•热设计的基础数据常用材料的导热系数2016/7/27122714038690150204192导热系数(w/m.k)铁黄铜紫铜压铸铝ACD12防锈铝LF21纯铝铝合金6063材料272.10.033701-40.5350.71导热系数(w/m.k)氧化铍空气氮化铝陶瓷导热绝缘材料硅脂三氧化二铝陶瓷云母材料热设计的基础知识2016/7/2713HeatsinkHeatsourceActualcontactarea2%ofapparentcontactarea•Surfaceshouldbesmooth•Usethermalinterfacematerial•Applypressurev接触热阻热设计的基础知识•选用导热系数较大的材料（金属材料）制造热传导零件；•最大限度地减少接触热阻（适当增大热传导零件间的接触面积和压力，在两接触面间涂导热硅脂或垫入软金属箔等）；•尽量缩短热传导路径，热传导路径中不应有绝热或隔热元件。2016/7/2714v增强热传导的主要措施自然对流情况下散热片安装方向2016/7/2715重力方向热设计的基础知识•流体的物理性质（流体的导热系数、比热容、密度和动力粘度等）；•换热表面的形状、大小和位置。2016/7/2716v影响对流换热的因素–加大温差，降低散热物体周围对流介质的温度；–加大散热面积，采取有利于对流散热的形状和安装位置；–加大对流介质的流动速度，以带走更多的热量（强迫对流比自然对流的对流表面换热系数大）；–选用有利于增强对流换热的流体作为介质（液体比气体的对流换热能力强）。v增强对流散热的主要措施热设计的基础知识2016/7/2717–在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其辐射系数，从而增强辐射能力；热敏感元件的表面应做成光亮的表面，减小其辐射系数，从而减小吸收辐射热量；–加大辐射体的表面积；–设法降低设备周围的温度，加大辐射体与周围环境的温差。v增强辐射散热的主要措施热设计的实施过程初步热设计详细热设计测试验证和设计改进散热方式散热风道方案均部热荷载下的单板温度分布—指导单板器件布局产品规格定义和产品系统设计阶段产品开发阶段整机试装阶段详细风道设计方案单板关键芯片热分析和温度控制散热器的选择和分析热设计验证解决遗留的、牵涉面小的散热问题热设计的基本要求及设计准则•热设计的实施过程2016/7/2718热设计的基本要求及设计准则•自然冷却风路的设计原则Ø功能单元(模块)布局应考虑机柜的风路设计要求,对直齿型散热器,应保证散热器的齿槽垂直于水平面,有利于形成“烟囱”效应。Ø元器件应纵向排列,让元器件的长边与空气上升的方向平行。Ø机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。Ø进出风口的高度差尽可能大。2016/7/2719热设计的基本要求及设计准则•强迫风冷风路的设计原则Ø如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源；Ø如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。Ø如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。Ø进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。2016/7/2720热设计的基本要求及设计准则•风路的设计原则Ø自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；对强迫风冷条件下，PCB板的间距可以适当减小，但必须符合安规要求。Ø底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则。2016/7/2721热设计的基本要求及设计准则•风道的设计原则一些产品如变频器有专门的通风管道，风道设计应注意下面几个问题：Ø风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力。Ø尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小。Ø风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为圆形，也可以是正方形或长方形。2016/7/2722热设计的基本要求及设计准则•冷却方法的选择原则Ø冷却方法种类常用的冷却方式有：自然冷却，强迫风冷，强迫液冷，蒸发冷却，热电致冷，热管冷却，冷板技术。Ø选择冷却方法须考虑的因素设备的热流密度，总损耗，能提供的散热表面积及体积，设备和元器件的允许温度(温升)，环境条件等。2016/7/2723热设计的基本要求及设计准则•冷却方法的选择原则Ø确定冷却方法的原则在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，因为自然冷却不仅成本低，而且可靠性高。只有在自然冷却无法满足散热要求时，才考虑其它冷却。当冷却表面的热流密度为0.024-0.039W/cm2，采用自然对流，上限适用于通风条件较差的情况，下限适用于通风条件较畅的场合。当冷却表面的热流密度为0.078W/cm2，采用强迫风冷。2016/7/2724热设计的基本要求及设计准则•型材散热器的选择及设计原则Ø材质的选择散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用铝型材散热器：6063（LD31）λ=180W/m.k特殊条件下：紫铜T2λ=380W/m.kØ散热器的各项技术指标应符合ＧＢ１１４５６－８９《电力半导体器件型材散热器技术条件》。Ø散热器安装器件的表面光洁度Ra1.6。Ø肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比。Ø表面应加波纹齿，波纹齿高为0.3-0.5mm,宽为0.5-1mm,以增加对流换热面积；Ø应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-10mm之间；而对工作在间歇方式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。Ø对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的1.5-2倍。Ø当散热器流向长度大于300mm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加流体扰动，提高对流换热系数。Ø对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm，以避免热边界层相互交叉。2016/7/27252016/7/2726铝型材散热器2016/7/2727利用焊接技术生产的散热器，散热面积大、重量轻、底板可进行复杂形状加工。焊接型散热器热设计的基本要求及设计准则•设计准则Ø自然冷却条件下，散热器表面的热点温升小于50℃。Ø强迫风冷条件下，散热器表面的热点温升小于45℃。Ø电感及变压器的表面温升小于50℃。Ø模块进出口风温升小于20℃。ØPCB表面的热点温升小于30℃。2016/7/2728风扇的基本知识Ø风扇的种类Ø按工作类型分：有轴流风扇和离心风扇、混流风扇三类。轴流风机：风量大，压头小，噪音小离心式风机：风压较高，一般适应于阻力较大的发热元器件或机柜冷却Ø按轴承类别分：有滚动轴承及含油轴承(轴瓦轴承)两类，由于含油轴