電子散熱設(shè)計講義

1、電子冷卻散熱設(shè)計通論電子冷卻散熱設(shè)計通論凌昕凌昕Advanced Thermal Solution (ATS)-ChinaAdvanced Thermal Solution (ATS)-China北京天源博通科技有限公司北京天源博通科技有限公司地址地址: :北京海淀區(qū)復(fù)興路北京海淀區(qū)復(fù)興路6565號電信實業(yè)大廈號電信實業(yè)大廈812812室室郵編郵編:100036:100036手機：手機：1370121324613701213246電話電話010-68222325傳真?zhèn)髡?10-68221709 熱設(shè)計的概念和基礎(chǔ) 冷卻方法的選擇 風道設(shè)計

2、的基本原則 風機的選用方法和原則 噪聲測量及控制 PCB板熱設(shè)計 散熱器的選擇 熱測試的目的和方法 熱仿真分析v熱設(shè)計的概念和基礎(chǔ)1、系統(tǒng)的集成度越來越高2、大功耗器件的廣泛使用3、系統(tǒng)的大容量和產(chǎn)品體積的小型化要求4、環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高（如戶外產(chǎn)品越來越多）我們?yōu)槭裁葱枰獰嵩O(shè)計？(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)圖 2: 電子產(chǎn)品失效的主要原因 55% Temperature 溫度19% Humidity 潮濕20% Vibration振動 6% Dust 粉塵圖 1 : 結(jié)點壽命統(tǒng)計(Source : GEC Resea

3、rch)故障率10萬小時來源：GEC研究院來源：美國空軍航空電子整體研究項目The Primary Cause for Failure in Electronic Equipment電子設(shè)備故障的主要原因電子設(shè)備故障的主要原因結(jié)點溫度(“熱熱”對電子可靠性的影響對電子可靠性的影響v1.約約40%以上的電子產(chǎn)品可靠性以上的電子產(chǎn)品可靠性(壽命壽命)故障是由溫度故障是由溫度問題引起的法則：電子零件的溫度每上升問題引起的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽度，壽命減少一半。命減少一半。v2.電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（電容影電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（電容影響最明顯）響最明顯）1 0

4、2 0 02 03 9 03 07 3 04 01 3 1 05 02 2 8 06 03 8 6 0I n c r e a s e i n F a i l u r e R a t e w i t h T e m p e r a t u r e( f r o m a b a s e t e m p e r a t u r e o f 5 0 C )05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 01 02 03 04 05 0T e m p e r a t u r e R i s e , CIncrease in Failure,1/10000v3.電子封裝失效的比例直接與熱

5、成正比，而且與封電子封裝失效的比例直接與熱成正比，而且與封裝的最高溫度成指數(shù)增長裝的最高溫度成指數(shù)增長失效的比例可描述為：F = Ae-E/KTwhere, F = failure rate, 失效率 A=constant 常數(shù)E = activation energy in electron volts (eV) 激活的電能K = Boltzmanns constant (8.63e-5eV/K), andT = junction temperature in K熱設(shè)計的定義v綜合利用傳導(dǎo)、對流及輻射三種換熱手段，設(shè)計發(fā)熱源至環(huán)境的低熱阻通路，以滿足設(shè)備散熱要求的過程稱為熱設(shè)計。熱設(shè)計的目的

6、為了保證產(chǎn)品在指定的環(huán)境規(guī)格條件下正常工作并達到產(chǎn)品的可靠性目標，從而滿足對產(chǎn)品各部分溫升的限制性要求。熱設(shè)計目標是可靠性目標的一部份。 熱設(shè)計應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求熱設(shè)計應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求電子設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境包括：電子設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境包括：u環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限值環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限值u環(huán)境溫度和壓力（或高度）的變化率環(huán)境溫度和壓力（或高度）的變化率u太陽或周圍其它物體的輻射熱載荷太陽或周圍其它物體的輻射熱載荷u可利用的熱沉狀況（包括：種類、溫度、壓可利用的熱沉狀況（包括：種類、溫度、壓力和濕度等）力和濕度等）u冷卻劑的種類、溫度、壓力和允

7、許的壓降冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降熱量傳遞的基本方式v熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)或從物v體高溫部分傳向低溫部分。v三種傳遞方式：v1、傳導(dǎo)v2、對流v3、輻射傳導(dǎo)v物體直接接觸時, 通過分子間動能傳遞進行v能量交換的現(xiàn)象。vQ - 傳導(dǎo)散熱量, WvK - 導(dǎo)熱系數(shù), W/mvA - 導(dǎo)體橫截面積, m2vt - 傳熱路徑兩端溫差, vL - 傳熱路徑長度, mvQ = K A t / Lv常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)：v鋁約180、壓鑄鋁120、鐵約40 、銅390（但銅的 密度是鋁的3倍，重量、價格）,石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可以達到600，而且重量很輕。v導(dǎo)熱系數(shù)大

8、，內(nèi)部溫差就小v熱管是一種傳熱能力極高的結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)可達10000以上v我們常常在芯片與散熱器之間增加導(dǎo)熱（絕緣）材料，是因為兩個表面間凸凹不平，中間有空氣，需要用導(dǎo)熱性能好的材料填充。材料要求形狀適應(yīng)性好，盡可能薄、壓力大（注意芯片能承受的最大壓 力）；v常見的導(dǎo)熱介質(zhì)材料有導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱軟硅膠墊片、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱相變材料等，適用場合各不相同；v由于導(dǎo)熱硅脂的填充性好，在兩個比較平的表面上，熱阻比其它導(dǎo)熱絕緣材料?。籿目前常用導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為0.81，但也有2、4、5，最大可達10。對流v流體通過一固體表面時發(fā)生的流體與 固體壁面的換熱現(xiàn)象。 Q - 對流散熱量, W hC

9、 - 換熱系數(shù), W/m2 A - 有效換熱面積, m2 t - 換熱表面與流體溫差, Q = hc A t對流換熱v對流換熱量與兩個因素有關(guān)，表面流速與換熱面積。 我們使用散熱片，實質(zhì)上就是增加換熱面積；v當速度增加到一定程度后，換熱量的增加就不是很明顯；v通常，在風機強迫冷卻的情況，插箱單板間的風速可超過1m/s。輻射 通過電磁波傳遞熱量的過程。 Q = T4 Q - 輻射散熱量, W - 散熱表面輻射率, W/m2 - 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù), 5.67108(W/m2K4) T - 絕對溫度, K輻射換熱v輻射換熱主要要求溫差大；v輻射率的影響因素：材料、表面粗糙度、波長等； 對戶外設(shè)備

10、，輻射率大，吸收率也大，因此要注意防輻射的措施；v對于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對于強迫冷卻的設(shè)備，可以忽略輻射散熱。熱阻 將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。冷卻方法的選擇冷卻方法的分類按冷卻劑與被冷元件之間的配置關(guān)系a. 直接冷卻b. 間接冷卻按傳熱機理a.自然冷卻（包括導(dǎo)熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種 以上換熱形式的組合）b. 強迫冷卻（包括強迫風冷和強迫液體冷卻等）c. 蒸發(fā)冷卻d. 熱電致冷e. 熱管傳熱f. 其它冷卻方法冷卻方法的選擇v選擇冷卻方法時，主要考慮設(shè)備的熱流密度、體 積功率密度、溫升、使用環(huán)境、

11、用戶要求等。v注意： 1、保證所采用的冷卻方法具有較高可靠性； 2、冷卻方法應(yīng)具有良好的適應(yīng)性； 3、所采用的冷卻方法應(yīng)便于測試、維修和更換； 4、所采用的冷卻方法應(yīng)具有良好的經(jīng)濟性；自然散熱v當電子設(shè)備的熱流密度小于0.08w/cm2，體積功率密度不超過0.18w/cm3時，通?？刹捎米匀粚α骼鋮s。自然對流冷卻是利用空氣流過物體表面時的能量交換，利用空氣的密度與溫度關(guān)系(熱空氣往上走），將熱量帶走。v在自然散熱中，傳導(dǎo)、對流、輻射都要考慮。強迫風冷v當電子設(shè)備的熱流密度超過0.08w/cm2，體積功率密度超過0.18w/cm3時，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需要外加動力進行強迫空氣

12、冷卻。v強迫空氣冷卻一般是用通風機，使冷卻空氣流經(jīng)電子元器件將熱量帶走。幾種降低傳熱熱阻的方法風道設(shè)計的基本原則v風道定義：v產(chǎn)品不管采用自然散熱，還是強迫風冷，首先必須合理地設(shè)計風道。v風道是由機箱（插箱）、單板（元器件）、模塊、進/出風口等組成，依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。v根據(jù)散熱方式的不同，風道可以分為自然散熱風道和強迫散熱風道，對于使用空調(diào)/換熱器的戶外系統(tǒng)，又包括內(nèi)風道和外風道。v風道設(shè)計的基本原則v 降低系統(tǒng)的壓力損失，力求對氣流的阻力 最小；v 合理控制氣流和分配氣流；v 保證流過關(guān)鍵熱源的風速；v 防止風道中產(chǎn)生空氣回流；v 進出口盡量遠離，避免風流短路；v 防止系統(tǒng)中發(fā)熱部件（插箱

13、）的相互影響。風機的選用方法與原則v風機分類v電子設(shè)備散熱設(shè)計中經(jīng)常用到的風機可以分為三類：軸流式風機、離心式風機和混流式風機。v軸流風機：風機的進風口與出風口平行；風量大、風壓小、噪音小、種類繁多、價格便宜；在通訊產(chǎn)品中較多的使用；v離心風機：風機的進風口與出風口垂直；風量小、風壓高、噪音大、價格高、供應(yīng)商少；一般用于阻力較大的發(fā)熱元器件或機柜的冷卻；v混流風機：風機的進風口與出風口平行；其性能介乎軸流風機和離心風機之間，風量大、風壓也大；其出風與進風有一傾斜角度，如有兩個風機并聯(lián)，則風量可以擴散到整個插框。Axial Fan - air flows axially. 軸流風機Centrif

14、ugal Fan (Blower)- air flows radially. 離心風機Cross Fan - air flows across the axis.混流風機風扇馬達基本零組件 Transistor (電晶體電晶體)電流放大電流放大 Stator Coil (線圈線圈) 產(chǎn)生磁場產(chǎn)生磁場 Thermistor (熱敏電阻熱敏電阻)溫控調(diào)節(jié)溫控調(diào)節(jié) Stator Armature (定子定子)定向定向磁場磁場 Hall Effect Sensor (霍爾感應(yīng)霍爾感應(yīng)元件元件)高低電平切換高低電平切換 Rotor Magnet (磁鐵磁鐵)沖磁力使馬達運轉(zhuǎn)沖磁力使馬達運轉(zhuǎn)風機的選擇v選

15、擇風機時應(yīng)考慮的因素包括：風量、風壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統(tǒng)（風道）阻力特性、應(yīng)用環(huán)境條件、噪聲以及體積、重量等，其中風量和風壓是主要參數(shù)。v根據(jù)電子設(shè)備風冷系統(tǒng)所需之風量和風壓及空間大小確定風機的類型。v當要求風量大、風壓低的設(shè)備，盡量采用軸流式通風機，反之，則選用離心式通風機。通風機的類型確定后，再根據(jù)工作點來選擇具體的型號和尺寸。風機的特性曲線與工作點v 一般風機規(guī)格上給出的特性曲線是風機在標稱轉(zhuǎn)速下得到的，隨著轉(zhuǎn)速的提高，風機的風量和風壓會增大。v 風機的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。圖中、三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風道）的阻力特性曲線。

16、系統(tǒng)（風道）的阻力特性曲線與風機的特性曲線交點就是這個風機的工作點。如果風機安裝在系統(tǒng)中，其工作點就是B點，風量為qvB(m3/s)，風壓為pB(Pa)。風機的串聯(lián)和并聯(lián)v當所選風機的風量或風壓不能滿足要求時，可采用串聯(lián)或并聯(lián)工作方式來滿足要求：v當風機的風量能滿足要求，而風壓不夠時，可采用風機串聯(lián)的工作方式，以提高其工作壓力。v當風道特性曲線比較平坦，需增大風量時，可采用并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是氣流路徑短，阻力損失小，氣流分布比較均勻，但效率低當風機串聯(lián)時，其風機特性曲線發(fā)生變化：風量基本上是每臺風機的風量（略有增加），而風壓則為相同風量下兩臺風機風壓之和，如圖（a）所示。當風機并聯(lián)使用時

17、，其風壓比單個風機的風壓稍有提高，而總的風量是各風機風量之和，如圖（b）所示。風機的其他問題v風機的壽命：通常風機資料上給出的壽命是在一定溫度下的L10（通常是40度），通常為50000小時左右，風機的壽命與其工作溫度有很大的關(guān)系，如果溫度每升高10度，壽命會下降一半；v風機的失效：風機失效的兩個常用判據(jù)：風機的風量小于實際風量的30%（通常根據(jù)轉(zhuǎn)速）；風機的噪音突然增大；v風機的噪音：與其轉(zhuǎn)速關(guān)系最大，調(diào)速是降低噪的有效途徑。抽風與吹風v首先，風機的特點是：進風口流速較均勻，無流動死區(qū)，而出風口流體向外發(fā)散的角度約45，四周流速大，中間流速小，還存在死區(qū)；其次，沒有絕對的抽風好還是吹風好，需

18、要根據(jù)具體的情況確定。v吹風的優(yōu)點是，出風口直接對準被冷卻部分，風量集中，風壓大，適用于熱量分布不均勻，需要對專門區(qū)域進行集中冷卻的情況；系統(tǒng)中為正壓，灰塵等不易進入。缺點是風速不均勻，存在死區(qū)（低速區(qū)），根據(jù)進風的不同，還可能存在局部回流區(qū)；進風流經(jīng)風扇后，溫度會有所升高。v而抽風不存在死區(qū)，風速較均勻，能較均勻地流過被冷卻表面，適用于阻力大的系統(tǒng)；不利的是系統(tǒng)中為負壓，在惡劣環(huán)境中灰塵易進入，風扇所處的環(huán)境溫度較高，影響壽命。 噪聲的測量與控制v噪聲v聲音的本質(zhì)是波動v人耳可感覺的聲波范圍是20Hz20000Hzv人體聽覺對聲音信號強弱刺激反應(yīng)不是線性的，而是成對數(shù)比例關(guān)系v一切無規(guī)律的或

19、隨機的聲音，或是一切不希望存在的干擾聲都是噪聲v聲壓v由聲波引起的大氣壓力變化的部分，通常記作p，單位是帕（Pa）v聲壓級 Lp ：聲壓級（dB） p ：聲壓（Pa） p0 ：基準聲壓， 聲功率 單位時間內(nèi)給定聲源所產(chǎn)生的平均聲能量，單 位是瓦（W） 聲功率級 Lw ：聲功率級（dB） W ：聲功率（W） W0 ：基準聲功率，210-12W聲級的合成運算 絕大多數(shù)情況下的噪聲，聲源之間互不相干。 聲能量（聲功率）可以代數(shù)相加，聲壓不能直接代數(shù)相加，聲壓的平方可以代數(shù)相加 LT： 總聲級 Ln：第n個聲源所產(chǎn)生的聲級 如LP1=LP2，即兩個聲源的聲壓級相等，則總聲 壓級：聲壓級與聲功率級的比較

20、v 聲壓級 表示聲場中某一點的強度 隨距離衰減 在實驗室測量到的聲壓級與現(xiàn)場測量到的聲壓級是不同的 可以用聲級計直接測量得到 單位：dB(A)v 聲功率級 表示聲源的輻射強度，衡量聲源發(fā)聲能力 與聲源的安裝位置和安裝環(huán)境無關(guān) 聲功率級有利于不同廠家的產(chǎn)品的比較 無法直接測量，必須通過測量聲壓級或聲強級后計算得到 單位：Bels（10dB）計權(quán)網(wǎng)絡(luò) 為了能用儀器直接反映人的主觀響度感覺的評價量，在噪聲測量儀器聲級計中設(shè)計了一種特殊濾波器，即計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。通過計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的聲壓級，已不再是客觀物量的聲壓級，而是計權(quán)聲壓級或計權(quán)聲級，簡稱聲級。 通用的計權(quán)聲級有A、B、C、D、F 在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，無論

21、是強或弱的噪聲，A計權(quán)聲級都能較好地反映人對噪聲吵鬧的主觀感覺。因此目前基本上都采用A聲級來作為噪聲評價標準。常見環(huán)境噪聲常見的噪音標準v ISO 7779-1999Acoustics - Measurement of airbornenoise emitted by information technology andtelecommunications equipment（聲學.信息技術(shù)設(shè)備和通信設(shè)備空氣噪聲的測量）v T1.TR.54-1997Recommended Methods for MeasuringAcoustic Noise Emmission美國電信標準（T1）：測量聲學噪

22、聲釋放的推薦方法v ISO 6926-1999Acoustics-Requirements for theperformance and calibration of reference sound sources usedfor the determination of sound power levels聲學. 噪聲源聲功率級的測定所用標準聲源的性能要求與校準v ISO 10302-1996Acoustics-Method for the measurement of airborne noise emitted by small air-moving devices聲學.小型送風設(shè)備的空

23、氣噪聲測量方法噪聲限值標準v ETSI ETS 300 753 Edition 1：1997.10Equipment Engineering (EE);Acoustic noise emitted by telecommunications equipment歐洲電信標準化協(xié)會：設(shè)備工程；電信設(shè)備發(fā)出的音響噪聲v BELLCORE GR-63-CORE：NEBS（Network Equipment-Building System）Requirements: Physical Protection室內(nèi)設(shè)備噪聲限值v Telcordia GR-487-CORE（Issue 2, 2000.3）：G

24、eneric Requirements for Electronic Equipment Cabinets戶外設(shè)備噪聲限值噪聲控制v一般產(chǎn)品的噪聲來源v風機噪聲v 轉(zhuǎn)速與噪聲 dB2 dB1 = 50lg (RPM2/RPM1) 其中，RPM表示風機轉(zhuǎn)速，dB表示噪聲值。 v 數(shù)量與噪聲 其中， 是n個風機總的聲級， 是單個風機的聲級v 風機載荷與噪聲阻力、噪聲較小阻力、噪聲很小阻力、噪聲很大氣流再生噪聲結(jié)構(gòu)振動引起的機械噪聲 常用的噪聲控制方法v控制噪聲源 降低風機噪聲：選用大口徑、低轉(zhuǎn)速風機；風機調(diào)速 降低氣流再生噪聲：風道優(yōu)化，減少結(jié)構(gòu)阻力 降低結(jié)構(gòu)振動噪聲：避免共振v 控制噪聲傳播途徑

25、 隔聲 吸聲 消聲v 個人防護PCB板熱設(shè)計v采用散熱PCBv印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱板v印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱條v印制線路板中間夾有導(dǎo)熱金屬芯 導(dǎo)熱印制板在設(shè)計時要特別注意：由于金屬和環(huán)氧玻璃纖維板的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)熱印制板在設(shè)計時要特別注意：由于金屬和環(huán)氧玻璃纖維板的熱膨脹系數(shù)差別較大，如膠接不當，可能引起電路板翹曲。差別較大，如膠接不當，可能引起電路板翹曲。印制板上電子元器件的熱安裝技術(shù)印制板上電子元器件的熱安裝技術(shù) 安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導(dǎo)熱提供一條從安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導(dǎo)熱提供一條從元器件到印制板及機箱側(cè)壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板元器件到印制板

26、及機箱側(cè)壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。的安裝形式如下圖所示。為降低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導(dǎo)熱絕緣膠直接將為降低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導(dǎo)熱絕緣膠直接將元器件粘到印制板或?qū)釛l（板）上。若不用粘結(jié)，應(yīng)盡量元器件粘到印制板或?qū)釛l（板）上。若不用粘結(jié)，應(yīng)盡量減小元器件與印制板或?qū)釛l（板）間的間隙。減小元器件與印制板或?qū)釛l（板）間的間隙。安裝大功率器件時，若采用絕緣片，可考慮導(dǎo)熱硅橡膠片。安裝大功率器件時，若采用絕緣片，可考慮導(dǎo)熱硅橡膠片。為了減小界面熱阻，還應(yīng)在界面涂一層薄的導(dǎo)熱膏。為了減小界面熱阻，還應(yīng)在界面涂一層薄的導(dǎo)熱膏。同一塊印制板上的元器件，應(yīng)

27、按其發(fā)熱量大小及耐熱程度分同一塊印制板上的元器件，應(yīng)按其發(fā)熱量大小及耐熱程度分區(qū)排列，耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上游（入口處），區(qū)排列，耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上游（入口處），耐熱性好的器件放在最下游（出口處）。耐熱性好的器件放在最下游（出口處）。有大、小規(guī)模集成電路混合安裝的情況下，應(yīng)盡量把大規(guī)模有大、小規(guī)模集成電路混合安裝的情況下，應(yīng)盡量把大規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的上游，小規(guī)模集成電路放在下游，集成電路放在冷卻氣流的上游，小規(guī)模集成電路放在下游，以使印制板上元器件的溫升趨于均勻。以使印制板上元器件的溫升趨于均勻。因電子設(shè)備的工作溫度范圍較寬，元器件引線和印制板的熱因電子設(shè)備的工

28、作溫度范圍較寬，元器件引線和印制板的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度循環(huán)變化及高溫條件下，應(yīng)注意采膨脹系數(shù)不一致，在溫度循環(huán)變化及高溫條件下，應(yīng)注意采取消除熱應(yīng)力的一些結(jié)構(gòu)措施。如下圖所示。取消除熱應(yīng)力的一些結(jié)構(gòu)措施。如下圖所示。 對于具有軸向引線的圓柱形元件（如電阻、電容和二極管），應(yīng)當對于具有軸向引線的圓柱形元件（如電阻、電容和二極管），應(yīng)當提供的最小應(yīng)變量為提供的最小應(yīng)變量為2.54mm，如圖，如圖5-13a所示。大型矩形元件（如所示。大型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應(yīng)像圖變壓器和扼流圈），應(yīng)像圖5-13b、c那樣留有較大的應(yīng)變量。那樣留有較大的應(yīng)變量。 在印制板上安裝晶體管，常使晶體管底座與

29、板面貼合，如圖在印制板上安裝晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。這是一種不好的安裝方式，因為引線的應(yīng)變量不夠，會導(dǎo)致所示。這是一種不好的安裝方式，因為引線的應(yīng)變量不夠，會導(dǎo)致焊點隨印制板厚度的熱脹冷縮而斷裂。安裝晶體管的幾種較好方法焊點隨印制板厚度的熱脹冷縮而斷裂。安裝晶體管的幾種較好方法如圖如圖5-14(b)(e)所示。所示。印制板導(dǎo)軌熱設(shè)計印制板導(dǎo)軌熱設(shè)計 印制板導(dǎo)軌起兩個作用：導(dǎo)印制板導(dǎo)軌起兩個作用：導(dǎo)向和導(dǎo)熱。作為導(dǎo)熱用時，應(yīng)保證向和導(dǎo)熱。作為導(dǎo)熱用時，應(yīng)保證導(dǎo)軌與印制板之間有足夠的接觸壓導(dǎo)軌與印制板之間有足夠的接觸壓力和接觸面積，并且保證導(dǎo)軌與機力和接觸面積，并且保

30、證導(dǎo)軌與機箱壁有良好的熱接觸。下圖是一些箱壁有良好的熱接觸。下圖是一些典型的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及其熱阻值。典型的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及其熱阻值。印制板的合理間距印制板的合理間距v對于依靠自然通風散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應(yīng)考慮氣流流向的合理性。v對于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時的表面溫升較水平放置時小。v豎直安裝的印制電路板，自然散熱時的最小間距應(yīng)為19mm，以防止自然流動的收縮和阻塞。散熱器的選擇v散熱器的選擇流程v根據(jù)元器件的熱流密度、體積功率密度、溫升要求及散熱方式（自然冷卻、強迫風冷），確定是否加裝散熱器。一般地說，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2，

31、體積功率密度超過0.18W/cm3，須采用強迫風冷方式。當然，應(yīng)用上述這個判據(jù)是有前提的：一是上述方法是假設(shè)熱量均勻分布在整個設(shè)備的體積中；二是設(shè)備內(nèi)的熱量能充分地傳到設(shè)備表面。v根據(jù)器件功耗、環(huán)境條件及器件溫度降額要求的允許結(jié)溫，確定散熱器的形狀并通過計算，計算出散熱器的表面積。合理選用散熱器，降低散熱器熱阻v右圖為安裝于散熱器上的功率器件等效熱路圖v其中： 功率器件的內(nèi)熱阻，通常由器v 件的制造廠家提供。v 器件殼體直接向周圍環(huán)境的換v 熱熱阻，稱為器件的外熱阻；v 器件與散熱器安裝面之間的接v 觸熱阻；v 散熱器熱阻。 v由于 遠大于其它熱阻值，因此總熱阻計算式為： v設(shè)計要求功率器件的

32、結(jié)溫應(yīng)滿足：1.散熱器表面應(yīng)進行氧化發(fā)黑處理,以增強輻射換熱效果。在自然對流 情況 下, 輻射換熱作用較突出,可以提高25%的散熱量, 所以, 除非是器件附近有高熱源, 散熱器表面都應(yīng)涂覆或氧化發(fā)黑處理以提高輻射性能。2.散熱器的材質(zhì)，一般推薦選用鋁型材、鑄鋁或純銅。3.根據(jù)要求，可以選用平板式散熱器、鋁型材散熱器、叉指型散熱器；也可以選擇熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vapor chamber)散熱器，石墨散熱器。4.鋁型材散熱器的齒面應(yīng)加波紋齒，型材散熱器的肋片表面增加波紋可以增加10%到20%的散熱能力，波紋齒的高度為0.5mm，寬度為0.5mm1mm，以增加對流換熱效果。5.應(yīng)保證鋁

33、型材散熱器基板有一定厚度，以減小傳導(dǎo)熱阻。6.散熱器性能與垂直氣流方向的寬度成正比，與氣流方向長度的平方根成正比，所以增加散熱器寬度的效果要好于增加長度；對于散熱器的流向長度大于300mm，應(yīng)把散熱器的齒片從中間斷開，以增加空氣擾動，提高對流換熱效果。還要注意的幾點散熱器的安裝要求 1. 器件與散熱器的接觸面應(yīng)保持平整光潔,散熱器的安裝孔要去刺。 2. 器件與散熱器和導(dǎo)熱絕緣膜間的所有接觸面處應(yīng)涂導(dǎo)熱硅脂或加其它導(dǎo)熱絕 緣材料。 3. 免涂導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱絕緣膜在接觸面處可以不涂導(dǎo)熱硅脂。 4. 對于自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與水平面垂直,以增強自然 對流效果；對于強迫冷卻方式，鋁

34、型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與風的流向平行。 5. 為了減少器件與散熱器之間的接觸熱阻，應(yīng)適當增加接觸力。為避免使元器件受力，散熱器須有適當?shù)墓潭ㄖ吸c。散熱器的加工工藝v Stamped (沖壓件沖壓件)v Aluminum extrusions (鋁擠鋁擠)v Casting (鑄造鑄造)v Bonded & swaged fin (插齒插齒)v Folded fin assemblies (折疊齒折疊齒)v Skived (鏟削鏟削)v Cold forged(冷鍛冷鍛)v Soldering (焊接焊接)Stamped (沖壓件沖壓件)Aluminum extrusions (鋁擠

35、鋁擠)Casting (鑄造鑄造)Bonded & swaged fin (插齒插齒)Typical Bonded Fin Heat SinkExtruded BaseSheet metalor ExtrudedFinsMax. ratio 60:1Folded fin assemblies (折疊齒折疊齒)Skived (鏟削鏟削)Soldering熱管簡述熱管的構(gòu)成如下圖所示：主要包括三個部分：外殼、工作流質(zhì)和毛細吸液層。通常外殼材料為純銅；工作流質(zhì)為純凈水（對于其他用途的熱管，工作流質(zhì)也可為其它種類），含量很少；根據(jù)熱管內(nèi)部毛細層的不同，常見的熱管可分為纖維型、溝槽型、篩網(wǎng)型和燒

36、結(jié)型，其中溝槽型和燒結(jié)型應(yīng)用最廣，各種類型熱管的優(yōu)、缺點如下表所示。熱管是一種傳導(dǎo)率非常高的導(dǎo)熱材料，可達30000 W/m.以上，熱管的導(dǎo)熱率不是恒定的。在一定范圍內(nèi)，通常受熱端溫度越高，則熱管導(dǎo)熱率越高。但是當溫度到達一定程度時，熱管的導(dǎo)熱率會急劇下降，造成失效。因此對于不同規(guī)格的熱管，都有一個最大傳輸功率。熱管應(yīng)用的場合：將熱管打扁，嵌入散熱器的底部，利用其超高的導(dǎo)熱能力來解決高功率密度造成的熱收縮效應(yīng)；將熱管折彎，與外部散熱器相聯(lián)結(jié)，可解決在設(shè)計空間受到限制的情況下，大熱耗器件（芯片）的散熱問題。熱管應(yīng)用的注意事項：熱管盡可能少打扁和折彎，必須折彎時，折彎半徑盡可能大；熱管與散熱器（肋

37、片）的聯(lián)結(jié)，一般用焊接，盡可能不用過盈配合。焊接時，一般用低溫錫焊；當熱管散熱器用在戶外產(chǎn)品中，直接暴露在空氣中時，要進行適當?shù)耐扛蔡幚怼?工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱 變?yōu)闅怏w，流向泠凝 器(氣壓差原理) 工質(zhì)蒸氣流到冷凝器 遇冷凝結(jié)，放出熱量。 凝結(jié)液體通過毛 細管向蒸發(fā)器回 流(虹吸原理) 外殼 工作流質(zhì) 毛細吸液層 表 各種類型熱管的優(yōu)、缺點管芯結(jié)構(gòu)優(yōu)點缺點篩網(wǎng)型制作成本低價格適宜熱反應(yīng)快折彎后品質(zhì)變異度大(內(nèi)網(wǎng)易因彎曲而形，影響蒸氣流斷切面積，液體回流不易)溝槽型成本低可打扁率高熱反應(yīng)快傳熱功率最小毛細力受重力方向的影響粉末燒結(jié)型傳熱功率最高易于后序加工(折彎，打扁)毛細力強.打扁厚度受限成本

38、較高 受變形、沖擊易碎纖維型彎曲或扁平加工時, 仍能維持良好的毛細力液體單向回流，因此不易受音速、毛細等限制因構(gòu)造復(fù)雜,本體制造較不容易單價成本高圖 熱管的構(gòu)成篩網(wǎng)型纖維型溝槽型燒結(jié)型熱仿真的一般步驟：v1、建立模型；v2、賦予屬性；v3、設(shè)置求解域和相應(yīng)的邊界條件；v4、劃分網(wǎng)格；v5、求解；v6、結(jié)果分析。熱仿真分析熱仿真分析的目的v通過建立合適的模型進行熱分布和熱特性分析，預(yù)計各器件的工作溫度，包括環(huán)境溫度和熱點溫度。使得產(chǎn)品在不損害電氣性能、并符合可靠性要求的前提下，使設(shè)備的壽命周期費用降至最低，實現(xiàn)熱設(shè)計的目標。v通過熱仿真實現(xiàn)合理的熱分布，選定最佳的熱設(shè)計方案或?qū)σ讯ǖ臒嵩O(shè)計方案做

39、出評估，使熱設(shè)計最優(yōu)化，以提高可靠性。熱仿真分析范圍v系統(tǒng)級分析v著眼于機柜、插箱等整個系統(tǒng)，分析整個系統(tǒng)的流場、溫度分布情況；v單板級分析v給定單板的局部環(huán)境，分析單板上芯片的散熱情況，以優(yōu)化器件的布板與單板的接地、過孔等設(shè)計；v芯片級分析v建立芯片的詳細封裝模型，分析芯片內(nèi)部的溫度分布情況。芯片的模型有物理模型和熱阻模型。熱仿真軟件v 熱仿真軟件可以在三維模型中模擬電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運動矢量, 也可以模擬強迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等。v 對電子系統(tǒng)從環(huán)境、系統(tǒng)、印制板及器件內(nèi)部等不同層次，就散熱、溫度場、和內(nèi)部流體運動狀態(tài)進行高效、準確的定量分析。v 熱仿真分為模型建立（前處理）、模型求解（求解）和結(jié)果解釋（后處理）三個過程。應(yīng)用軟件通常相應(yīng)的分為前處理器、求解器和后處理器三部分。熱測試的步驟v1、測試方案的制定；v2、測試環(huán)境的考慮；v3、測試點的選擇；v4、傳感器的安裝；v5、測試數(shù)據(jù)的采集；v6、測試數(shù)據(jù)的分析。v在熱測試中