产品的热设计培训资料

2020/7/151电子产品的热设计基础(初级版)2020/7/152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。2020/7/153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。2020/7/154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。2020/7/155概述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。2020/7/156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。2020/7/157热设计的基础知识热设计的基本概念流阻：反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴。定性温度：确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。肋片的效率：表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比。黑度：实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。雷诺数Re(Reynlods)：雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。2020/7/158热设计的基础知识热设计的基本概念格拉晓夫数Gr(Grashof)：反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大，表明流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。通风机的特性曲线：指通风机在某一固定转速下工作，静压差、效率和功率随风量变化的关系曲线。系统的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力差随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。通风机工作点：系统(风道)的阻力特性曲线与风机的静压特性曲线的交点就是风机的工作点。2020/7/159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。2020/7/1510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。2020/7/1511热设计的基础知识LaminarFlow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）2020/7/1512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、对流和辐射它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现2020/7/1513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）2020/7/1514热设计的基础知识导热的基本方程（在一维稳态温度场下）Q＝λF导△t/δ=△t/R导λ----导热系数，W/m.K或W/m.℃;F导---垂直于导热方向的截面积，m2△T----温差，℃;δ--厚度(m)R导-----导热热阻,℃/W；2020/7/15151m1m1mT1T2WQ=Effect(W)T1=Inlettemp(C˚,K)T2=Outlettemp(C˚,K)A=Crosssectionarea(m2)δ=Distancebetweenplane(m)λ=ThermalConductivity(W/mK)热设计的基础知识2020/7/1516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2714038690150204192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2020/7/1517热设计的基础知识常用PCB基材的导热系数及热膨胀系数CTE(10SubstrateMaterialThermalConductivityGlass-epoxy(FR4)12~160.15Glass-polyimide13~170.35PolyimideKevlar4~80.12Polyimide-quartz6~120.35Copper-cladInvar6~7165(lateral)16(transverse)Alumina5~737FR4withcompliant0.15~0.2conforms/C-6o)2020/7/1518热设计的基础知识HeatsinkHeatsourceActualcontactarea2%ofapparentcontactarea•Surfaceshouldbesmooth•Usethermalinterfacematerial•Applypressure接触热阻2020/7/1519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。增强热传导的主要措施2020/7/1520热设计的基础知识对流换热的基本方程：对流换热机理：对流换热是发生在有温差的固体表面和运动流体（气体或液体）直接接触时相互间的换热过程，它既有流体分子间的导热作用，又有流体本身的热对流作用，是一种复杂的换热过程。对流可以是自然和强迫对流。自然对流是由冷、热流体温度变化引起的流体内部密度差而产生的流动；强迫对流则是由外部方式（泵或风机）造成的流体内压力不同引起的流动。散热的基本方式2020/7/1521热设计的基础知识对流换热的基本方程(牛顿公式)Q＝αF对△t=△t/R对α----对流换热系数，W/m2.K或W/m2.℃;F对---有效对流换热面积，m2；△T----温差，℃;R对流-----对流热阻,℃/W散热的基本方式2020/7/1522Q=Effect(W)T1=Tempmedia(C˚,K)T2=Tempmedia(C˚,K)A=Surfaceareaarea(m2)α=Heattransfercoefficient(W/m2K)T1T2α热设计的基础知识2020/7/1523Naturalair5W/m2KForcedair25W/m2KForcedwater15,000W/m2KEvaporation200,000W/m2K估计的对流换热系数大致范围：热设计的基础知识2020/7/1524AircooledheatsinksnaturalconvectionRadiationhastobecalculated!AirflowLargesurfaceareaSmallsurfacearea2020/7/1525Finheight80mm0204060801001201401601805101520finspacing,mmCoolingeffect,W00,511,522,533,544,55area(fin/air)andheattransfercoefficientEffect_convh,W/m2Karea,m2Aircooledheatsinksnaturalconvectionoptimal2020/7/1526Heatsinkorientationnaturalconvectiongravity2020/7/1527Air-cooledheatsinksForcedconvection-fancurveCharacteristiccurveofthefanOptimaloperatingregionHighpressure-dropLowpressure-drop2020/7/1528Apparentcoolingareavs.effectivecoolingareaforaircoolingforcedair-cooling,mediumspeedfinthicknesst=0.7mm0204060801001200102030405060Finheight,mmfinarea,mm200,10,20,30,40,50,60,70,80,91finefficiencyapparentcoolingareaeffectivecoolingareaFinefficiencyHeat