最全的热设计基础知识及flotherm热仿真

热设计目录热设计的基础概念传导、对流、辐射散热方式的选择123自然对流散热和强制对流散热4FLOTHERM简介5电子设备的发展趋势1.热耗上升化2.设备小巧化3.环境多样化过热-电子产品故障的首要原因(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)Figure2:MajorCausesofElectronicsFailures图2：电子产品故障主要原因资料来源：美国空军航空电子整体研究项目55%温度20%振动6%粉尘19%潮湿Figure1:JunctionLifeStatistics(Source:GECResearch)图1：结点寿命统计故障率（10万小时）资料来源：GEC研究院发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大问题之一…(强度与振动、散热、电磁兼容)热设计的基本要求满足设备可靠性的要求满足设备预期工作的热环境的要求满足对冷却系统的限制要求热设计工程师——与EE,ME,Layout等项目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并降低成本热设计的基础概念问题：热的单位是什么？是℃？热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。1J=1N·m热设计的基础概念设备会持续发热。像这样，热量连续不断流动时，用“每秒的热能量”来表示会更容易理解。单位为“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。热设计的基础概念100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。这并不是通过升高水的温度消耗了100J的能量。而是在水中作为热能保存了起来。能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这就是最重要“能量守恒定律”。℃是温度单位。温度是指像能量密度一样的物理量。它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。即使能量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高，而大范围分散时，温度就会降低。热设计的基础概念电子产品接通电源后一段时间内，多半转换的热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅为少数。之后，装置温度升高一定程度时，输入的能量与排除的能量必定一致。否则温度便会无止境上升。热设计的基础概念很多人会认为，“热设计是指设计一种可避免发热并能使其从世界上消失的机构”。就像前面指出的那样，说是“发热”，但并非凭空突然产生热能。说是“冷却”，但也并不是热能完全消失。如下图所示,热设计是指设计一种“将○○W的能量完全向外部转移的机构”，其结果是可达到“○○℃以下”。大家首先要有一个正确的认识！。热传导傅立叶导热定律：WTQAxA为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征材料导热能力优劣的物性参数。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K,此处的K可用°C代替）。它是表征材料导热能力优劣的物性参数。在30°C时，空气的导热系数为0.027W/m·°C，因此可以利用空气夹层来绝热，通常把导热系数小于0.23W/m·°C的材料称为绝热材料。热流量是指单位时间内通过某一给定面积的热量，单位为W。热传导热传导定义热流密度：2W/mQqA对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得：tTQR由此可得导热热阻计算公式为：热流密度是指单位时间内通过单位面积的热流量成为热流密度。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。用热功耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。K/WtRA热传导热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。热传导单层平壁导热)()t-(tw2w1wkA多层平壁导热单层圆筒壁导热)()(ln22112wttrrklww)(111wniiiiwiwAktt)t-t(1wiw1ln1211niiiirrkl多层圆筒壁导热热传导接触热阻导热介质导热介质-导热脂常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如硅油），并加有稳定剂和改性添加剂调配而成的均匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也有灰色或金色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧化铝、氮化硼、氧化银、银粉、铜粉等。1）为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便,价格便宜。3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很小，适合大功率器件的散热。4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。特点：导热介质-导热脂导热介质-导热脂导热介质-导热脂我公司现有导热硅脂其他一些常用导热硅脂供应商型号我司编码导热系数(W/mk)工作温度（摄氏度）北京美宝T-5010401001710.785-60~200导热介质-导热胶特点：导热介质-导热胶导热介质-导热胶315导热胶的使用方法：1、首先用酒精擦拭芯片和散热器粘接面；晾干（约1min后即可）2、采用0.12mm的导热胶印刷工装，涂胶方式推荐为固化水涂在散热器上，导热胶涂在芯片表面。3、采用干净的毛刷在散热器上刷涂固化水，不超过2滴，使粘结面有润湿的痕迹即可.然后待固化水挥发15s—1min后（不能超过30min），组装上散热器。4、采用5-10N的压力，从中间均匀挤压散热器，以使胶层均匀分布，实现良好的粘结层；5、固化时，采用压块工装施加约1psi的压强，以控制胶层的厚度在0.15mm以下；6、一般情况下，40min后，315胶的粘接强度可达到完全固化的80％；24h后，315胶可完全固化。导热介质-导热垫主要应用及特点：•主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填充•用于几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不一样的场合•用于加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。•由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且便于安装和拆卸。导热介质-导热垫导热介质-导热垫对导热垫的性能要求和主要检测项目：1）导热系数和热阻：热性能满足要求2）硬度：优先选用硬度较低的材料3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV）4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上供应商型号我司编码导热系数(W/mk)尺寸奥川科技SPE2-40-BK10401000291.24m厚;30.5mm×30.5mm;黑色奥川科技SPE2-25-BK10401000301.22.5mm厚;23.5mm×17.5mm；黑色奥川科技SPE2-10-BK10401000311.21mm厚;13mm×18mm;黑色润和科技K1000108120103211mm厚；200mm*400mm，硬度邵氏15-50，灰黑色我公司现有的导热硅胶垫：导热介质-相变导热膜导热介质-相变导热膜导热介质-导热垫导热介质-导热双面胶带导热介质-导热双面胶带对流换热自然对流流动产生的原因强迫对流层流流动性质湍流牛顿冷却公式：QAT其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流换热能力。A为参与热交换的有效面积，△T为表面温度与流体温度之差。由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：1tRA自然对流换热系数在1~10W/(m2·K)量级，实际应用时一般不会超过3~5W/(m2·K)；强制对流换热系数在10~100W/(m2·K)量级，实际应用时一般不会超过30W/(m2·K)。几个准则数的计算公式及物理意义：努塞尔数：LNu对流换热导热雷诺数：uLRe惯性力粘性力普朗特数：pcPr动量扩散热量扩散格拉晓夫数：32VLgTGr浮升力粘性力L——特征尺寸，m；u——流体速度，m/s；cp——比热容，kJ/(kg·K)；μ——动力粘度，Pa·s；λ——导热系数，W/(m·K)；αV——体膨胀系数，℃－1；g——重力加速度，m/s2；ΔT——流体与壁面的温差。是流体力学中的一个无量纲数，是表示对流换热强烈程度的一个准数,又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。典型雷诺数：普通航空飞机：5000000小型无人机：400000海鸥：100000滑翔蝴蝶：7000圆形光滑管道：2320大脑中的血液流：100主动脉中的血流1000普朗特数是由流体物性参数组成的一个无因次数，表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。它反映自然对流程度的特征数。当格拉晓夫数相当大，约Gr10E9时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态。所以格拉晓夫数Gr在自然对流过程中的作用相当于雷诺数Re在受迫对流过程中的作用，其大小能确定边界层的流动状态。热辐射任意物体的辐射能力可用下式计算镜体是指反射比ρ=1的物体。绝对透明体是指穿透比Τ=1的物体。绝对黑体是指吸收比α=1的物体。黑度：在一定温度下，将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，或物体的发射率，用ε表示。热辐射物体表面的辐射计算是及其复杂的，其中最简单的是两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式：热辐射电子设备冷却方法的选择温升为40℃时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值电子设备冷却方法的选择冷却方法可根据热流密度和温升要求，按照下图关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同的各类设备由此图可知，当元件表面与环境之间的允许温差ΔT为60℃时，空气的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于0.05W/cm2时有效。强迫风冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允许温差为100℃时，风冷最大可能提供1W/cm2的传热能力。电子设备冷却方法的选择电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值如下表所示：电子设备冷却方法的选择设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。热辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的热流密度为0.039W/cm2。有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。热管的传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻。电子设备冷却方法的选择电子设备自然冷却为了说明机壳结构对电子设备温度的影响，可以通过下图所示的试验装置的试验加以说明。其中热源为80W，位于试验装置的中心位置，机壳用各种不同结构形式的铝板制成，进行任意组合，可满足不同结构形式的需要，试验装置404*304*324mm。电子设备自然冷却密封机箱所有表面所散发的热量在工程上可以近似用下面的公式来估算：∅𝑇=1.86(𝑆𝑆+43𝑆𝑡+23𝑆𝑏)∆𝑡1.25+4𝜎𝜀𝑇𝑚3S∆𝑡式中：∅𝑇：密封机箱表面的散热量,W𝑆𝑆：机箱侧面的有效面积,𝒎𝟐𝑆𝑡：机箱顶面的表面积，𝒎𝟐𝑆𝑏：机箱的底面积，𝒎𝟐∆𝑡：机箱的温升值，℃𝜎：斯忒潘-玻尔兹曼常熟，5.67X𝟏𝟎−𝟖𝐖/(𝒎𝟐.𝑲𝟒)𝜀：机箱的表面黑度𝑻𝒎=𝟎.𝟓(𝑻+𝑻𝒂)𝑻：机箱的表面温度，K𝑻𝒂：环境温度，K𝑺=𝑺𝒂+𝑺𝒕+𝑺𝒃密封机箱温升的推算和散热限度：电子设