電子產(chǎn)品熱設計與工程案例分析

1、Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想電子產(chǎn)品熱設計與工程案例分析Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想第一部分 熱設計的理論基礎Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想第一部分 熱設計的理論基礎1.1、準確認識熱設計1.2、熱源與熱阻

2、1.3、熱量傳遞的基本方式與有關定律1.4、熱控制方法的選擇Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計模塊功率逐年增長趨勢芯片級的熱流密度高達 300 Wcm2數(shù)量級，甚 至已經(jīng)達到1000 W cm2數(shù)量級 其結溫要求低于100C太陽表面熱流密度10000 Wcm2數(shù)量級 其表面溫度可達6000C一、電子裝備面臨的熱設計挑戰(zhàn)Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s

3、 | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計圖 電子產(chǎn)品失效的主要原因 來源：美國空軍航空電子整體研究項目過熱問題被確認為電子設備結構設計所面臨的三大問題之一（強度與振動、散熱、電磁兼容）Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計（1）熱設計目標、內(nèi)容與工具 熱設計的目標熱設計目標應首先根據(jù)設備的可靠性指標與設備的工作環(huán)境條件來確定，熱設計目標一般為設備內(nèi)部元器件允許的最高溫度。已知設備的可靠性指標，依據(jù)GJB/ 299B1998電子設備可靠性預計手

4、冊中元器件失效率與工作溫度之間的關系，可以計算出元器件允許的最高工作溫度，此溫度即為熱設計目標。工程上為簡便計算，通常采用元器件經(jīng)降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目標。2、熱設計內(nèi)容與學習方法、設計過程Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計 熱設計內(nèi)容定義1“根據(jù)熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。定義2為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好

5、的熱環(huán)境及低熱阻散熱通道，保證他們能按預定的參數(shù)正常、可靠地工作?！倍x3利用熱傳遞特性，針對耗熱對象，采用合適的結構設計和冷卻技術，對其溫升進行控制，保證其正常、可靠工作。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計 熱設計分科界定（1）熱設計（熱結構）在所處環(huán)境下，合理設計熱傳遞結構、冷卻方法，保障設備內(nèi)所有元器件不超過最高允許溫度。（2）熱分析（熱模擬）利用數(shù)理模型，或通過計算機模擬，在設計階段獲得溫度分布，預先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進其設計。（3）

6、熱評估評估熱設計是否合理的方法和手段。（4）熱試驗將設備置于實際（或模擬）熱環(huán)境中，測量其溫度或溫度分布Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.1 準確認識熱設計 熱設計理論工具熱量傳遞的基本理論、經(jīng)驗公式結構設計經(jīng)驗方法計算流體力學和計算傳熱學（CFD）熱測試儀器和手段 可參考的國內(nèi)書籍 邱成悌、趙惇殳 電子設備結構設計原理，東南大學 余建祖，電子設備熱設計及分析技術，北航出版社 王健石，電子設備熱設計速查手冊，電子工業(yè)出版社 劉靜，液體金屬導熱材料 Accelink

7、Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想（2）熱設計的實施過程Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.2 熱源與熱阻電子設備工作過程中可能的三種熱量來源 自身功率功率元件耗散的熱量 設備工作環(huán)境通過導熱、對流、輻射形式，與電子設備進行熱量傳遞 自身與環(huán)境作用設備與大氣相對運動，摩擦增溫熱量去處：熱沉（環(huán)境）n熱設計原則：熱源至最終熱沉之間的總熱阻最小熱設計原則：熱源至最終

8、熱沉之間的總熱阻最小解決熱阻的辦法，兩方面入手： 控制電子元器件的內(nèi)熱阻 控制電子元器件或整機設備的外熱阻。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.2 熱源與熱阻n熱阻定義：熱阻定義： (K/W)tTRQ外熱阻的控制方式：（1）散熱利用空氣或液體作為冷卻介質(zhì)，靠自然對流或強制對流方式，帶走耗熱。（2）制冷利用熱電冷卻、固體升華過程吸熱、液氮蒸發(fā)過程吸熱等方式進行制冷，使設備工作環(huán)境溫度低于周圍環(huán)境溫度。（3）恒溫利用相變材料的吸、放熱過程，可變導熱管的控溫特性以及熱電效應

9、，使設備工作溫度嚴格恒定在某一溫度值，保證其工作的穩(wěn)定性。（4）熱管傳熱利用熱管高效傳熱的特性，解決大溫差環(huán)境條件下溫度的均衡，密閉機箱內(nèi)熱量的傳遞，減少溫差對設備的危害。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.3 熱量傳遞的基本方式和有關定律一、熱量傳遞的三種基本方式：一、熱量傳遞的三種基本方式：導熱、對流、輻射導熱、對流、輻射二、導熱（熱傳導）二、導熱（熱傳導）傅立葉導熱定律：傅立葉導熱定律： WTQAx 定義熱流密度：定義熱流密度：2 W/mQqA 對傅立葉定律在一

10、維導熱條件下積分，可得：對傅立葉定律在一維導熱條件下積分，可得：tTQR 由此可得由此可得導熱熱阻導熱熱阻計算公式為：計算公式為： K/WtRA A為垂直于熱流方向的截面積；為垂直于熱流方向的截面積；為材料的導熱系數(shù)，單位為材料的導熱系數(shù)，單位W/(mK)，它是表征，它是表征材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數(shù)。材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數(shù)。導熱問題的熱電比擬關系：導熱問題的熱電比擬關系：t TI R R UQ電位差溫差電流導熱量電阻熱阻Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想Accel

11、ink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想三、對流換熱三、對流換熱自然對流流動產(chǎn)生的原因強迫對流層流流動性質(zhì)湍流牛頓冷卻公式：牛頓冷卻公式：QA T由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：1tRA 基本概念及計算式基本概念及計算式通過量綱分析法，可得對流換熱的兩個準則方程通過量綱分析法，可得對流換熱的兩個準則方程自然對流自然對流()nNuc GrPr強迫對流強迫對流mnNucRe Pr 其中其中為對流換熱系數(shù)，單位為對流換熱系數(shù)，單位W/(m2K)，表

12、征了換熱表面的平均對流，表征了換熱表面的平均對流換熱能力。換熱能力。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想幾個準則數(shù)的計算公式及物理意義：幾個準則數(shù)的計算公式及物理意義：努塞爾數(shù)：努塞爾數(shù)：LNu對流換熱導熱雷諾數(shù)：雷諾數(shù)：uLRe慣性力粘性力普朗特數(shù)：普朗特數(shù)：pcPr動量擴散熱量擴散格拉曉夫數(shù)：格拉曉夫數(shù)：32VLg TGr浮升力粘性力 L 特征尺寸，m； u 流體速度，m/s； cp 比熱容，kJ/(kgK)； 動力粘度，Pas； 導熱系數(shù)，W/(mK)； V 體膨脹

13、系數(shù)，1； g 重力加速度，m/s2； T流體與壁面的溫差。用準則方程求出用準則方程求出Nu后，即可求出對流換熱系數(shù)：后，即可求出對流換熱系數(shù)：NuLAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想四、輻射換熱四、輻射換熱40AT 式中：式中： 物體的表面黑度（表面輻射率）；物體的表面黑度（表面輻射率）； 0 斯蒂芬斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4)； A 輻射表面積，輻射表面積，m2； T 物體表面的熱力學溫度，物體表面的熱力學溫度，K。 減小輻射

14、熱阻的措施減小輻射熱阻的措施1. 表面輻射率要高；表面輻射率要高； 2. 輻射體與吸收體之間要無障礙；輻射體與吸收體之間要無障礙；3. 輻射面積要大。輻射面積要大。 輻射能以電磁波的形式傳遞輻射能以電磁波的形式傳遞 任意物體的輻射力可以用下式計算：任意物體的輻射力可以用下式計算：Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想專題 熱阻分析法熱阻分析法( (熱電模擬熱電模擬) )一、熱電模擬方法一、熱電模擬方法 將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或稱電位差）；熱阻模擬為電阻

15、，熱將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或稱電位差）；熱阻模擬為電阻，熱導模擬為電導；對于瞬態(tài)傳熱問題，可以把熱容（導模擬為電導；對于瞬態(tài)傳熱問題，可以把熱容（c cp pq qm m）模擬為電容。這種模擬方法適用于）模擬為電容。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導熱。各種傳熱形式，尤其是導熱。二、熱電模擬網(wǎng)絡二、熱電模擬網(wǎng)絡 利用熱電模擬的概念，可以解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的傳熱計算。恒溫熱源等效于理想的恒壓源。恒利用熱電模擬的概念，可以解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的傳熱計算。恒溫熱源等效于理想的恒壓源。恒定的熱流源等效為理想的電流源。導熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來處理。熱沉等效定的熱流源等效為

16、理想的電流源。導熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來處理。熱沉等效于于“接地接地”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡。，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡。三、傳熱路徑三、傳熱路徑 從實際傳熱觀點而言，熱設計時應利用中間散熱器，它們一般屬于設備的一部分，通常為設從實際傳熱觀點而言，熱設計時應利用中間散熱器，它們一般屬于設備的一部分，通常為設備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑。備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑。 熱流量經(jīng)傳熱路徑至最終的部位，通稱為熱流量經(jīng)傳熱路徑至最終的部位，通稱為“熱沉熱沉”，

17、它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當于一個無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設備所處即相當于一個無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設備所處的環(huán)境。的環(huán)境。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想四、熱阻的確定四、熱阻的確定確定熱阻的步驟確定熱阻的步驟a. 根據(jù)對每個元器件的可靠性要求，確定元器件的最高允許溫度根據(jù)對每個元器件的可靠性要求，確定元器件的最高允許溫度b. 確定設備

18、或冷卻劑的最高環(huán)境溫度確定設備或冷卻劑的最高環(huán)境溫度c. 根據(jù)上述兩條規(guī)定，確定每個元器件的允許溫升根據(jù)上述兩條規(guī)定，確定每個元器件的允許溫升d. 確定每個元器件冷卻時所需的熱阻確定每個元器件冷卻時所需的熱阻 熱阻的計算熱阻的計算a. 導熱熱阻和對流熱阻的計算式參見導熱熱阻和對流熱阻的計算式參見前面內(nèi)容前面內(nèi)容b. 輻射換熱網(wǎng)絡法輻射換熱網(wǎng)絡法任意兩表面間的輻射網(wǎng)絡如下圖所示：任意兩表面間的輻射網(wǎng)絡如下圖所示： 圖中圖中Eb1和和Eb2分別代表同溫度下的表面分別代表同溫度下的表面1和表面和表面2的黑體輻射力；的黑體輻射力；J1和和J2分別為表面分別為表面1和和表面表面2的有效輻射。的有效輻射。

19、Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想應用例：芯片封裝熱阻的電網(wǎng)絡模擬 從晶片傳到外殼經(jīng)過5個環(huán)節(jié)晶片的熱阻；晶片粘接劑（導熱膠）熱阻 基底(substrate)的熱阻基底粘接劑（焊錫）熱阻封裝(package)的熱阻Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1.4 熱控制方法的選擇熱控制方法的選擇冷卻方法可以根據(jù)熱流密度和冷卻方法可以根據(jù)熱流密度和溫升要求

20、，按右圖關系進行選溫升要求，按右圖關系進行選擇。這種方法擇。這種方法適用于溫升要求適用于溫升要求不同的各類設備的冷卻不同的各類設備的冷卻 由右圖可知，當元件表面與環(huán)境之由右圖可知，當元件表面與環(huán)境之間的允許溫差間的允許溫差T為為60時，空氣時，空氣的自然對流（包括輻射）僅對熱流的自然對流（包括輻射）僅對熱流密度低于密度低于0.05W/cm2時有效。時有效。 強迫風冷可使表面對流換熱系數(shù)強迫風冷可使表面對流換熱系數(shù)大約提高一個數(shù)量級，如在允許大約提高一個數(shù)量級，如在允許溫差為溫差為100時，風冷最大可能時，風冷最大可能提供提供1W/cm2 的傳熱能力。的傳熱能力。Accelink Technol

21、ogies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想第二部分 以空氣為介質(zhì)的冷卻Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2.1、空冷首先應當重視對流2.2、空冷中的傳導2.3、風冷中的風道設計與風機選用Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2.1、空冷首先應當重視對流一、空冷對流設

22、計一般原則1）器件、印制板的排布原則風冷l 將耐熱性能好的放在冷卻氣流的下游，耐熱性能差的應放在冷卻氣流的上游。l 發(fā)熱區(qū)的中心線，應與入風口的中心線相一致或略低于入風口的中心線，這樣可以使電子機箱受熱而上升的熱空氣由冷卻空氣迅速帶走。l 當風冷系統(tǒng)的冷卻氣流經(jīng)多塊印制板組件時，印制板的間距應控制在13mm左右l 器件盡量交錯方式排列，以增強紊流。必要時可在空位增設紊流器。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想自冷l 溫度分區(qū)（與風冷同）按耐熱程度分區(qū)：耐熱性差的放氣流上游

23、，耐熱性好的電子元器件放在下游。按發(fā)熱量分區(qū)：如把大規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的上游處，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。l 自冷印制板的間距應控制在不小于19mm，電路板上電子元件安裝高度相差比較大時，應保證最高元件與屏蔽盒內(nèi)壁之間的間隙不小于23mm，否則將影響盒子中部的自然對流。l 有利紊流電子元器件安裝的方位應符合氣流的流動特性及有利于提高氣流的紊流程度。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2）熱設計的檢查自然冷卻l 是否使用最短的熱流通路？

24、l 是否利用金屬作為導熱通路？l 電子元器件是否采用垂直安裝和交錯排列？l 對熱敏感的元器件是否與熱源隔離，當二者距離小于50mm時，是否采用熱屏蔽罩？l 對于發(fā)熱功率大于0.5W的元器件，是否裝在金屬底座上或與散熱器之間設置良好的導熱通路？l 熱源表面的黑度是否足夠大？l 是否有供通風的百葉窗口？l 對于密閉式熱源，是否提供良好的導熱通路？Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想強迫空氣冷卻l 流向發(fā)熱元器件的空氣是否經(jīng)過冷卻過濾？l 是否利用順流氣流來對發(fā)熱元器件進行冷卻

25、？l 氣流通道大小是否適當？是否暢通無阻？l 風機的容量是否適當？抽風機或鼓風機是否選擇恰當？l 風機電動機是否得到冷卻？對風機故障是否采用防護措施？l 空氣過濾器是否適當？是否易于清洗和更換？l 是否已對設備或系統(tǒng)中的氣流分布進行過測量？l 關鍵的功率器件是否有適當?shù)臍饬髁鬟^？l 是否測量過功率器件的臨界溫度？l 是否測量過風機的噪聲？l 易損壞的散熱片是否有保護措施？l 在機載電子設備中，是否具有防水措施？Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想1）自冷合理開設通風孔通風

26、孔散熱的熱量計算公式：H 自然冷卻設備的高度（或進、出風孔的中心距）（cm）;A0 進風孔或出風孔的面積（取較小值）（cm2）設備內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差（）。二、盡量增大對流效果5 . 105-t104 . 7HA12ttt Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想開設通風孔的基本原則：l 開設通風孔要有利于形成有效的自然對流通道l進風孔與出風孔要遠離，并且要防止氣流短路，應開在溫度差較大的相應位置，進風孔盡量低，出風孔要盡量高l進風孔對準關鍵元件l進出風孔要

27、兼顧電磁屏蔽、防塵Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2）自冷電子機箱外自冷的熱計算公式自然對流換熱計算方法1自然對流換熱的準則方程hc自然對流換熱系數(shù)（W/(m2.)）k冷卻流體的導熱系數(shù)（W/(m.)）D特征尺寸(按下表取)（m）C，n由下表確定的系數(shù)（無量綱）Gr格拉曉夫數(shù)（無量綱）Pr普朗特數(shù)（無量綱）ncGrCDkPr)(hAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓

28、 光 引 領 夢 想Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想自然對流換熱計算方法2物理參數(shù)簡化方程式中，熱流密度（W/m2） 熱流量（W） A換熱面積（m2） C,D系數(shù)C，n和特征尺寸D由上表確定； t換熱表面與空氣的溫差（）該公式的使用條件：任意方向的幾何尺寸小于600mm（電子元器件、小電子設備）空氣物性參數(shù)20200，變化6%內(nèi)（以控制誤差）)/(5 . 2225. 025. 1mWDtCAAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h

29、t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想自然對流換熱計算方法3列線圖步驟：根據(jù)設備、器件的形狀、尺寸及位置，求得C和D值（上表中的層流項）通過列線圖中的C和D標尺，在無刻度的X標尺上得到一個交點；再連接X上的交點和t標尺上的t值點，在/A標尺上得到/A值，反之，若已知和A值，也可以求得t值。舉例:一個電子設備處于環(huán)境溫度為35的空氣中，其表面溫度為85，設備機箱外殼尺寸為：長200mm，寬200mm，高300mm，計算該機箱頂部表面僅靠自然對流能散掉多少熱量？根據(jù)前表確定C值，熱面朝上的散熱平面，C=0.54;t=85-35=50；連接右圖中D標尺上的

30、0.2m和C標尺上的0.54在X標尺上得交點X0;連接X0與t尺上的50點，在/A標尺上得交點為270，即)/(270/2mWA 計算頂面散熱量）（WA8 .102 . 02 . 0270Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2.2、空冷中的傳導1、導熱熱阻（傳導熱阻） K/WtRA1. 縮短路徑縮短路徑 2. 增大面積增大面積 3. 提高導熱系數(shù)提高導熱系數(shù)減小導熱熱阻的方法減小導熱熱阻的方法式中：式中： 平壁厚度，平壁厚度，m； 導熱系數(shù)，導熱系數(shù)， W/mk ； A

31、垂直于熱流方向的橫截面面積垂直于熱流方向的橫截面面積，m2 ；Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2、接觸熱阻 在多層壁導熱計算時，都是假設層與層之間完全緊密接觸的理想情況，實際上，接觸表面是不可能絕對平整和光滑的，因此，兩表面的接觸點發(fā)生在一些離散的接觸面上。這樣在接觸面處將出現(xiàn)溫差，這是由于在接觸界面處產(chǎn)生了一個附加的熱阻，叫接觸熱阻 接觸界面的熱阻由局部接觸面上的導熱熱阻 和間隙中的介質(zhì)導熱熱阻 組成 假設兩接觸面的近似接觸面積Aa由兩接觸材料之間的實際接觸面積Ac

32、和沒有接觸的間隙面積Av所組成， 若有效非接觸空間的厚度為，兩接觸表面的不規(guī)則高度為/2,則通過接觸界面的熱流量由兩部分組成)()(t22121212121ttAKttAkkkAkktacvvfvC）（tsRtdRt1,t2表面1和表面2接觸界面的溫度k1,k2表面1和表面2材料的導熱系數(shù)kf間隙中介質(zhì)的導熱系數(shù)kc接觸傳熱系數(shù)Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想接觸表面接觸點的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律；接觸表面的幾何形狀(波紋度和粗糙度)；非接觸間隙的平均厚度；間隙中

33、介質(zhì)的種類（真空、液體、氣體）；接觸表面的硬度；接觸表面之間的壓力大小，接觸界面表面的氧化程度和清潔度；接觸材料的導熱系數(shù)。影響接觸熱阻的主要因素影響接觸熱阻的主要因素:表面粗糙度和接觸壓力對接觸熱阻的影響Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想3、收縮熱阻熱收縮效應在一個恒熱源下的導熱介質(zhì)的溫度要高于其他部位的溫度，其溫度為t0熱量全部擴散到整個導熱介質(zhì)表面上的溫度； 收縮效應溫升，只取決于材料傳導系數(shù)與幾何參數(shù)ct收縮熱阻求法： 先求 按照”熱歐姆定律公式”得收縮熱阻離散

34、熱源的收縮效應cjttt0ctAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想熱收縮效應溫升公式無限大的導熱介質(zhì)上的圓形熱源，介質(zhì)導熱系數(shù)為k，熱源半徑為r1有限大的導熱介質(zhì)(半徑為r2的圓柱)上的圓形熱源（半徑為r1）不同熱源及不同形狀的導熱介質(zhì)，其t有不同的計算公式Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想長窄條熱源在有限導熱介質(zhì)上：短而窄的熱源在有效導熱介質(zhì)上：

35、其中Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想熱收縮效應實際應用芯片組件金屬導熱模塊Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想從芯片結到外殼（散熱器）的傳熱例：在一塊15.24X20.32鋁基板上，有四塊1.27X1.27mm的半導體芯片結合到基板，芯片A為3.24W，芯片B為2.81W,芯片C為2.52W，芯片D為3.03W，對稱布置，各部分厚度如下圖b，可伐

36、蓋加在鋁散熱器上，并保持55，芯片A的功耗最大，所以主要分析芯片A的溫度Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想 所用材料的導熱系數(shù)為： 半導體芯片的熱源直徑為0.889mm 雖然鋁基板與可伐蓋組件有3.556mm的空氣隙，這里的分析仍不考慮空氣隙的導熱、對流和輻射影響。 分析前做如下簡化假設： 忽略空氣隙的導熱和輻射； 用鋁基板面積作為計算準則，即不考慮柯伐蓋板比鋁基板面積稍大的問題，也不考慮熱量傳向鋁散熱器時在柯伐蓋上的擴散 考慮鋁基板及柯伐載體和厚膜的橫向?qū)帷＿@種“熱

37、擴散”類似于上述的收縮效應。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想具有收縮效應的等效熱路圖如右圖。各層的導熱熱阻可用下式計算kARt由右邊項，可以計算鋁基板的表面溫度t1)(55t1SGKOEFALRRRR其中是芯片A、B、C、D的功耗，當=11.6W時，t1=62.2。此溫度就是迫使熱量從四個芯片流經(jīng)圖中所示的熱阻，傳向55的散熱器的驅(qū)動力。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s

38、 | 讓 光 引 領 夢 想 現(xiàn)分析芯片A，芯片A下面的實際溫度為t2,它是克服熱量從芯片A傳至基板的收縮作用的驅(qū)動力，該收縮作用所產(chǎn)生的熱阻為Rca 若 ，則 計算12tttc24. 3tc1tRcCAct芯片A的表面溫度3 .10624. 3)108. 10003. 0(7 .102)(123CHSVRRttAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2.3、風冷中的風道設計與風機選用（一）風道設計風冷的潛力在于風道1、風道的基本設計原則l 為降低阻力損失盡量短；避免急彎；避

39、免驟然擴展/收縮；內(nèi)表面盡量光滑l 為提高空氣輸送能力截面盡量接近正方形；矩形長寬比不得大于6/1l 為密封所有搭接臺階都應順著流動方向l 進風口結構應降低阻力，且要起到濾塵作用Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想風道的入口應避免速度劇變盡力減小箱體對空氣的流動阻力：例如減少不必要的尖角、彎頭、突擴或突縮；不使局部地區(qū)流速過高（大于7m/s）或流速過低（會使傳熱惡化，塵埃沉積。）a、因風道伸出而產(chǎn)生的湍流使空氣入口的壓力損失增大；b、空氣入口處的斜邊使壓力損失減小Acce

40、link Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2、機箱級風道（主要潛力） 具有平行風道的冷卻系統(tǒng)，要求氣流進入機箱后，形成高的靜壓和低的動壓，以便提高冷卻效果，降低出口和彎曲處的壓力損失。 如果機箱比較長，功耗較大，而風道截面不增加，則必須增加冷卻空氣的氣流。 右圖結構，上下風道的截面不變而且相等時，流體流至下風道叉口處膨脹，使壓力上升，而且可能使下風口叉口處的壓力大于上風道叉口處的壓力，將導致氣流回流。有可能出現(xiàn)下風道叉口處的壓力大于上風道出口處壓力與支管阻力損失之和而產(chǎn)生回流現(xiàn)象風道結

41、構形式不好Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想 為防止氣流回流，進風道截面積應大于各分支風道截面積總和 采用錐形風道結構形式，可以使風道中任意一點的截面積大于支風道的截面積Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想專項 典型風道自然散熱機箱典型風道風道一. 1/2U機箱平放自然散熱風道，機箱出風口在機箱頂部，模塊或板卡自然散熱冷卻，如果機箱頂部有其他設備，

42、需要與風道隔離，避免熱空氣對機箱的影響；另外，除進、出風口外，其他部分需要完全密封。風道二. 1/2U機箱平放自然散熱風道,機箱進出風口都在機箱兩側，內(nèi)部流場混亂，不利自然散熱煙囪效應，適合較小熱功率設備機箱；模塊或者插卡自然冷卻、必須為平放，機箱兩側盡量遠離高功率發(fā)熱器設備，另外，除進、出風口外，其他部分需要完全密封。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想風道三，5U以上高度自然散熱機箱，機箱出風口在機箱頂部，模塊或板卡自然散熱冷卻，模塊或插卡必須為上下風道。Acceli

43、nk Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想強迫風冷散熱機箱典型風道風道一，鼓風風道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側進出風，機箱風扇正吹插卡，靠近風扇的區(qū)域換熱效果最佳，由于風道必然存在漏風，而且右端區(qū)域風速相對較低，換熱弱；同時機箱內(nèi)為正壓，灰塵不會從縫隙進入機箱。風道二，抽風風道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側進出風，機箱左側進風，流場分布均勻，各區(qū)域換熱強度相差不大，機箱內(nèi)為負壓，灰塵將通過縫隙進入機箱。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h

44、t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想風道三，典型的機箱通風風道，采用風扇抽風，進風口在機箱下方，國外和主流廠商都采用這種風道，但對風扇的要求采用高風量，高風壓，低噪聲。風道四，典型的機箱通風風道，鼓風的換熱強度比抽風時高，但送風不均勻，在風扇中心和風扇之間都存在回流死區(qū)，注意死區(qū)的存在對散熱的影響，將發(fā)熱芯片布置在氣流集中的地方；將風扇與單板保持50mm的距離，可使得流場均勻，但將增加高度空間，另外，風扇的進風口距離底板較近，會產(chǎn)生較大噪聲，進風受障礙，所以盡量增加距離。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h

45、t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想風道五，采用離心風扇抽風，向后排出，進風口在機箱前下方，該風道對離心風扇的性能要求高，需要采用風量大，風壓大，噪聲小。風道六，風道六中如果沒有合適的離心風扇可選，可以采用軸流風扇豎放代替，但風扇模塊將占用較大空間高度；如果機箱高度有限制，可將風扇平放，但風扇出風口上方還是得留一定出風空間，至少40mm。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想通風機可分為離心式（下圖通風機可分為離心式（下圖(a)

46、(a)）和軸流式下圖）和軸流式下圖(b)(b)兩類。兩類。風機（二）、風機的選用及其配合結構Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想 軸流式風機的特點是風量大、風壓小。根據(jù)其結構形式可分為螺旋槳式、圓筒軸流式風機的特點是風量大、風壓小。根據(jù)其結構形式可分為螺旋槳式、圓筒式和導葉式三種。其中螺旋槳式壓力最小，一般用于空氣循環(huán)裝置。圓筒式和導式和導葉式三種。其中螺旋槳式壓力最小，一般用于空氣循環(huán)裝置。圓筒式和導葉式用于中、低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設備的冷卻。葉式用

47、于中、低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設備的冷卻。 離心式風機的特點是風壓較高，一般用于阻力較大發(fā)熱元器件或機柜離心式風機的特點是風壓較高，一般用于阻力較大發(fā)熱元器件或機柜的冷卻。的冷卻。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想(1)通風機的特性曲線通風機在固定轉速下工作時，其壓力、效率、功率隨風量（橫坐標）變化的關系 不與風道連接時，靜壓為零，風量最大； 出口被堵住時，風量為零，靜壓最高； 中間一點效率最高，應在其附近工作。 前彎式離心機效率最高時，總壓力最大。1、

48、風機的風道匹配選用法前彎式通風機特性Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想離心式風機的特性曲線從下圖，后彎式效率最高，前彎式最低，但前彎式壓力高，風量大，其缺點是功率曲線上升陡峭，當壓力減低時，風量增大，而功率隨之不斷增加，易過載。而后彎式功率曲線平坦，達到最大值后，隨風量的增加，功率反而減小，不易過載。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想軸流式風機的

49、特性曲線其特點是風壓曲線很陡斜，所以當通風系統(tǒng)的風阻較大時，若使用軸流風機，風量就很小，如圖a，一旦風量為零，功率達到最大，如圖c.Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想（2）風道特性曲線由此可見，所需的壓降、總壓力均與風量的平方成正比，即將上述關系式用曲線表示，即風道的特性曲線，圖中1,2,3三條曲線分別代表三個風道的特性曲線。風機的總壓力用來克服通風管道的阻力，并在出口處造成一定的速度頭，即Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t

50、 i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想風機風道參數(shù)匹配設計通風機工作點風道特性曲線與通風機特性曲線的交點。設計思路;1、額定風量由換熱計算得出2、風道特性曲線通過計算或查手冊得出3、風機特性曲線（即選風機）與風道特性曲線交點匹配選擇，要達到（1）交點滿足額定風量（2）額定風量盡可能達到效率最高(對應總壓最大)Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2、風機與風道間的結構關系（1）引風段位置關系進風要有引風段。葉片不同位置的速度分布葉片

51、應安裝在通風道的下游，這時風道較長，氣流速度分布可以得到改善。如風道90的彎曲處，葉片應裝在氣流的下游，如果安裝在氣流的上游，在出口處容易形成渦流，而影響通風冷卻的效果。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想（2）整機抽風冷卻和鼓風冷卻抽風冷卻特點風量均勻，風壓小，負壓，難以控制灰塵；不計風機功耗。常用在機柜中各單元熱量分布比較均勻、和元件所需冷卻表面的風阻較小的情況鼓風冷卻特點風量集中，風壓大；正壓；有利于清除塵埃與臟物，增加氣流的擾動，但使氣流進口溫度提高。通常用在單元

52、內(nèi)熱量分布不均勻，各單元需要專門風道冷卻，風阻較大，元件較多情況下。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想（3）降低漏風當有縫隙存在時，抽風形式的冷卻效果比鼓風形式好。大型機柜在強迫通風時，機柜縫隙的漏風將直接影響散熱效果機柜四周密封不漏風時，風機的位置對通風效果沒有影響，沿機柜高度方向任意一個發(fā)熱區(qū)斷面，風量基本相同，圖a機柜四側存在縫隙，當通風機安裝在出口處抽風時，外界空氣從縫隙進入機柜，風量從入口到出口是逐漸增加的，圖b 當通風機裝在入口處鼓風時，機柜內(nèi)靜壓較高，氣流

53、將從縫隙漏出，風量沿機柜方向逐漸減少，圖c 采用串聯(lián)通風形式，機柜內(nèi)部氣壓分為正壓區(qū)和負壓區(qū)兩部分，既有氣流從縫隙流入，也有從縫隙流出，沿機柜高度方向風量分布如圖dAccelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想3.風機之間的關系流量：Q=Q1=Q2靜壓：P=P1+P2流量：Q=Q1+Q2靜壓：P=P1=P2Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想第三部分 熱設計案

54、例Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想第三部分 熱設計案例一、微納衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設計及仿真二、某3G移動基站的熱仿真及優(yōu)化三、戶外通信電源的熱分析四、ZTE EDFA模塊熱分析Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想案例一 某型微納衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設計 微納衛(wèi)星：質(zhì)量小于10kg，具有實際使用功能的衛(wèi)星。即將在9月15日20日發(fā)射的天宮二號，其攜帶的一顆伴隨衛(wèi)

55、星就是一顆微納衛(wèi)星。 衛(wèi)星主要有載荷倉、模塊盒、太陽電池帆板等部分組成，載荷倉內(nèi)包含有微慣性組合、電池組、儲箱、相機等組件，具有對地成像、信息傳輸功能。 衛(wèi)星運行在高真空太空環(huán)境，熱傳導主要通過傳導和輻射進行。 衛(wèi)星熱控設計的目的是通過合理的熱設計方法和熱控制手段，提供衛(wèi)星有效載荷和衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)儀器設備正常工作所需的環(huán)境溫度，同時保證衛(wèi)星表面所有設備工作在所需的溫度范圍。 遵循的原則：采用成熟的熱控技術和實施工藝，遵循各項熱控規(guī)范和標準，力求簡單、可靠；整星熱設計本著被動熱控方式為主，在被動熱控方式不能滿足要求時，再考慮電加熱補償?shù)闹鲃訜峥厥侄危η髮崿F(xiàn)最佳熱耦合機制；星內(nèi)一般一起設備的溫

56、度范圍設計余量為10。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想熱控措施：綜合考慮衛(wèi)星結構、溫度要求以及所處的空間環(huán)境，采取如下熱控措施： 載荷艙內(nèi)除推進系統(tǒng)采取特殊的熱控制措施外，其他載荷外表面進行發(fā)黑處理，表面黑度0.8； 模塊和載荷艙身內(nèi)表面0.5； 模塊盒內(nèi)各電路板與其安裝面之間填充導熱材料或?qū)嶂?位于星外的磁強計、GPS天線等的外表面噴涂有機灰漆或有機黑漆，/=0.85/0.8Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n

57、 g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想 軟件IDEAS TMG建立衛(wèi)星整體有限元模型及載荷艙的有限元模塊如下圖 空間背景為 4K 冷黑空間，并輸入軌道、姿態(tài)等參數(shù)(太陽同步圓軌道、高度取 550km、傾角取 95、降交點地方時取 11:00等)，三軸穩(wěn)定姿態(tài)時，+Z 軸指向地心、+X 指向飛行方向。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想穩(wěn)態(tài)情況下，衛(wèi)星各部分溫度如下表所示Accelink Technologies Co., Ltd.L i

58、g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想下圖分別是衛(wèi)星整體、載荷艙、太陽電池帆板、頂板及磁強計與 GPS 天線的溫度分布云圖仿真結果可以看出，所采取的熱設計方案滿足了衛(wèi)星總體提出的要求，艙內(nèi)一般儀器設備的溫度為-10+45，艙外儀器設備溫度為-80+80Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想案例二：某3G移動基站的熱仿真及優(yōu)化1、實際模型、實際模型a、方案一（頂部抽風方案） 該移動基站采用標準19英寸機柜，共有20個PCB插

59、板板位。 該方案結構示意圖如右圖所示。機柜總高度10U。其中插板區(qū)高度為7U,底部進風口高度為1U，頂部出風口高度為2U。采用EBM公司的離心式風機兩個，安放在機柜頂部。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想b、方案二（底部吹風方案）、方案二（底部吹風方案） 該方案結構示意圖如右圖所示。機柜總高度10U。其中底部進風口高度為2U，頂部出風口高度為1U。采用EBM公司的軸流式風機六個，安放在機柜底部。c、方案三（軸流風機頂部抽風方案）、方案三（軸流風機頂部抽風方案） 該方案結

60、構示意圖如右圖所示。其中頂部出風口高度為2U，底部進風口高度為1U。其它尺寸同方案二采用EBM公司的軸流式風機六個，安放在機柜頂部。Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想2、仿真結果、仿真結果a、方案一數(shù)值分析結果、方案一數(shù)值分析結果Accelink Technologies Co., Ltd.L i g h t i n g Y o u r D r e a m s | 讓 光 引 領 夢 想b、方案二數(shù)值分析結果、方案二數(shù)值分析結果c、方案三數(shù)值分析結果、方案三數(shù)值分析結果