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电子产品热设计基础电子产品热设计基础严运锋严运锋2011.04.282011.04.28讲师简介讲师简介讲师简介讲师简介讲师简介讲师简介讲师简介讲师简介z工学硕士，2008年1月毕业于北京航空航天大学工程热物理系，研究方向为传热传质学；z曾先后在山特电子（深圳）有限公司武汉邮电科学研究z曾先后在山特电子（深圳）有限公司、武汉邮电科学研究院工作，岗位均为热设计工程师；z现任艾默生网络能源有限公司汽车电源开发部热设计高级工程师；工程师；z联系电话：13590217386；zEmail：cau_yyf@163.com提提纲纲提提纲纲提提纲纲提提纲纲一、热设计背景二热设计基础知识二、热设计基础知识1.热设计的基本概念及术语2热传递的基本方式2.热传递的基本方式3.热电模拟及热路分析三热设计的基本要求和一般设计准则三、热设计的基本要求和般设计准则四、热设计材料1散热器的设计原则1.散热器的设计原则2.风扇的设计方法及选型准则3.导热界面材料的种类及选型准则3.导热界面材料的种类及选型准则五、热设计验证六、CFD技术在热设计领域的应用热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景电子技术是迄今为止世界上发展昀迅速的技术领域电子技术是迄今为止世界上发展昀迅速的技术领域。z从白炽灯到集成电路1879——Edison发明电灯（incandescentlightbulb）；1906——LeedeForest发明真空三极管(vacuumtube)；1906——LeedeForest发明真空三极管(vacuumtube)；1947——晶体管(transistor)出现；1957——集成电路(integratedcircuit,IC)问世............热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景模块功率密度逐年增长趋势热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景27%温度27%温度震动湿度沙尘40%19%沙尘盐分6%海拔冲击6%2%4%2%冲击环境对电子设备失效的影响热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景z电子技术高速发展的同时也产生了一个越来越突出的问题：热。热问题给产品的设计及应用带来了巨大挑战问题给产品的设计及应用带来了巨大挑战。z为什么要进行热设计？1设备体积减小功率上升热流密度大幅增加1.设备体积减小，功率上升，热流密度大幅增加；2.高温对产品的不良影响：元器件损坏（炸管）；绝缘性能下降材料老化严重焊缝开裂甚至焊点脱落；材料老化严重；焊缝开裂，甚至焊点脱落......3.高温对元器件的影响：电容寿命下降；电阻阻值变化；磁性器件绝缘材料性能下降；晶体管故障率上升件绝缘材料性能下降；晶体管故障率上升......4.散热问题是制约产品小型化、轻便化的关键问题。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。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。热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景z热设计有三个层次1元件级热设计主要研究元器件内部结构及其封装形式对传热的影响计1.元件级热设计：主要研究元器件内部结构及其封装形式对传热的影响，计算及分析元器件的温度分布。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。2.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。3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3.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。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。热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景热设计背景z怎样进行热设计？1理论分析1.理论分析；2.数值模拟；3实验测试3.实验测试。z判定热设计成败依据？Tj降额允许值（对磁性器件要求其温度不高于降额绝缘温度值）Tj≤降额允许值（对磁性器件，要求其温度不高于降额绝缘温度值）散热方式有自然散热风冷液冷热电制冷相变散热等多种散热方式有自然散热、风冷、液冷、热电制冷、相变散热等多种，工程中昀常用的主要是自然散热、风冷散热和液冷散热。此外，借助相变这种高传热性能的散热方式应用也较多（如热管）热设计工程师需变这种高传热性能的散热方式应用也较多（如热管）。热设计工程师需能根据产品的热特性有针对性地选择昀合适的散热方式。热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识热设计基础知识电子产品热量产生的原因：z工作过程中，功率元件耗散的热量；电子设备周围的工作环境通过导热对流和辐射的形式z电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备；z电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温温。热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语z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/或/℃负的温度梯度下的导热量，单位为W/m·K或W/m·℃；z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z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热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。z流阻：反映流体流过某一通道时所产生的压力差，单位为帕斯卡；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z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。热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语z雷诺数Re(Reynlods)：雷诺数反映流体流动时的惯性力与粘性力的相对大小雷诺数是说明流体流态的个相似准则小。雷诺数是说明流体流态的一个相似准则；z格拉晓夫数Gr(Grashof)：反映流体所受的浮升力与粘性力的相对大小，是说明自然对流换热强度的个相似准则G越大表明流体所受的浮升力越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；风扇特性曲线（PQ曲线）指风扇在某固定转速下工作静压差随风量z风扇特性曲线（P-Q曲线）：指风扇在某一固定转速下工作，静压差随风量变化的关系曲线；系统阻力特性曲线指流体流过流道所产生的压力差随流体流量变化的关系z系统阻力特性曲线：指流体流过流道所产生的压力差随流体流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。风扇工作点系统阻力特性曲线与风扇特性曲线的交点就是风机的工作点z风扇工作点：系统阻力特性曲线与风扇特性曲线的交点就是风机的工作点。热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语z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；z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；z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z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；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z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；z表征温度的方式：表征温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下：TK＝273.15＋Tc，Tc=5(TF-32)/9；热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语热设计的基本概念及术语LaminarFlow层流（流体分子的流线相互平行互不交叉）相互平行，互不交叉）TurbulentFlowTurbulentFlow湍流（流体分子不规则运动）热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热传递的基本方式热量的传递有导热对流换热及辐射换热三种方式在常见的电子热量的传递有导热、对流换热及辐射换热三种方式。在常见的电子产品散热过程中（除太空中运行的电子设备等），这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算：Fourier导热公式：Q=λA(TT)/δFourier导热公式：Q=λA(Th-Tc)/δNewton对流换热公式：Q=hA(Th-Tc)辐射Stefan-Boltzmann定律：Q=5.67e-8*εA(Th4-Tc4)其中λ、h、ε分别为导热系数、对流换热系数及物体表面的黑度，其中λ、h、ε分别为导热系数、对流换热系数及物体表面的黑度，A是换热面积。导导热热导导热热Heatsink导导热热导导热热物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观例子的热运动而产生的热量称为导热例如而产生的热量称为导热。例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是Heatsource体通过接触面的热量传递都是导热现象。贴散热器的晶体管向散热器传递热量主要就是通过导热。导导热热导导热热导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：QλA(TT)/δ导导热热导导热热Q=λA(Th-Tc)/δ其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2；T与T分别为高温与低温面的温度Th与Tc分别为高温与低温面的温度；δ为两个面之间的距离，单位为m；λ为材料的导热系数单位为W/(m·K）表示了该材料导热能力λ为材料的导热系数，单位为W/(mK），表示了该材料导热能力的大小。一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m·K），纯铝的导热系数约204W/(m·K），下纯铜的导热系数高达400W/(mK），纯铝的导热系数约204W/(mK），水的导热系数为0.6W/(m·K），而空气仅0.025W/(m·K）左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率元系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在些大功率元器件散热中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。导导热热导导热热导导热热导导热热常用材料的导热系数常用材料的导热系数材料铝合金纯铝防锈铝压铸铝紫铜黄铜铁材料6063纯铝LF21ACD12紫铜黄铜铁导热系数W/(K)1922041509038614027W/(m·K)19