產品的熱設計培訓資料

1、2022-3-221電子產品的熱設計基礎(初級版)2022-3-222介紹 v什么叫熱設計？v熱設計就是根據電子元器件的熱特性和傳熱學的原理，采取各種結構措施控制電子設備的工作溫度，使其在允許的溫度范圍之內。v為什么要進行熱設計？v高溫對電子產品的影響高溫對電子產品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落。 溫度對元器件的影響溫度對元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降；溫度過高還會造成焊點合金結構的變化，焊點變脆，機械強度降低；結溫的升高會使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導致集電極電流

2、增加，又使結溫進一步升高，最終導致元件失效。2022-3-223介紹v熱設計的目的 控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環(huán)境條件下不超過標準及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計算應以元器件的應力分析為基礎，并且與產品的可靠性要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。2022-3-224介紹v熱設計的三個層次 -元件級的熱設計：元件級的熱設計：主要研究芯片內部結構及其封裝形式對傳熱的影響，計算及分析芯片的溫度分布。對材料、結構進行熱設計，降低熱阻，增加傳熱途徑，提高傳熱效果，達到降低溫度的目的。主要由元器件的生產廠家完成。-電路板級的熱設計：電路板級的熱設計：主要研究電路板的

3、結構、元器件布局對元件溫度的影響以及電子設備多塊電路板的溫度分布，計算電子元件的結點溫度，進行可靠性預計。對電路板結構及其元器件進行合理安排，在電路板及其所在箱體內采取熱控制措施，達到降低溫度的目的。主要由電子設備設計人員及可靠性設計人員完成。-環(huán)境級的熱設計：環(huán)境級的熱設計：主要是研究電子設備所處環(huán)境的溫度對其的影響，環(huán)境溫度是電路板級的熱分析的重要邊界條件。采取措施控制環(huán)境溫度，使電子設備在適宜的溫度環(huán)境下工作?？捎僧a品開發(fā)人員或用戶完成。2022-3-225概述 v主要內容：熱設計的基本理論、基本數(shù)據、設計原則、測試方法及相關測試儀表。v熱設計的基礎知識熱設計的基礎知識：熱設計基本概念與

4、術語、散熱的基本方式、熱電模擬法、熱路及熱網絡v熱設計的基本要求及一般設計準則熱設計的基本要求及一般設計準則：通過實例分析，講述熱設計的設計要求及準則。v風扇的基本知識風扇的基本知識：風扇的選型方法，應用準則。v熱界面材料熱界面材料：熱界面材料的種類、選型準則。v熱設計驗證方法熱設計驗證方法：熱測試相關的儀器/儀表的特點/及使用場合/注意事項、如何減少熱測試誤差的方法及注意事項。v熱設計的驗證標準熱設計的驗證標準：熱設計的驗證標準。2022-3-226熱設計的基礎知識v熱設計的基本概念熱特性：熱特性：設備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。導熱系數(shù)：導熱系數(shù)： 表征材

5、料導熱性能的參數(shù)指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量，單位為W/m.K或W/m.。對流換熱系數(shù)：對流換熱系數(shù)：反映兩種介質間對流換熱過程的強弱，表明當流體與固體壁面的溫差為1 時，在單位時間通過單位固體換熱面積的熱量，單位為W/m2.K或W/m2.。熱阻：熱阻：熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為/W或K/W，可分為導熱熱阻，對流熱阻，輻射熱阻及接觸熱阻四類。 2022-3-227熱設計的基礎知識v熱設計的基本概念流阻：流阻： 反映流體流過某一通道時所產生的壓力差。單位帕斯卡或mm.H2O或巴 。定性溫度定性溫度

6、：確定對流換熱過程中流體物理性質參數(shù)的溫度。肋片的效率肋片的效率：表示某一擴展表面單位面積所能傳遞的熱量與在同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。黑度黑度：實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re(Reynlods)：雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準則。2022-3-228熱設計的基礎知識v熱設計的基本概念格拉曉夫數(shù)格拉曉夫數(shù)Gr(Grashof)：反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小，是說明自然對流換熱強度的一個相似準則，Gr越大，表明流體所受的浮升力越大，流體的自然對

7、流能力越強。通風機的特性曲線通風機的特性曲線：指通風機在某一固定轉速下工作，靜壓差、效率和功率隨風量變化的關系曲線。系統(tǒng)的阻力特性曲線系統(tǒng)的阻力特性曲線：是指流體流過風道所產生的壓力差隨空氣流量變化的關系曲線，與流量的平方成正比。 通風機工作點通風機工作點： 系統(tǒng)(風道)的阻力特性曲線與風機的靜壓特性曲線的交點就是風機的工作點。2022-3-229熱設計的基礎知識v熱設計的基本概念溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定：當設備處于工作狀態(tài)時，設備中發(fā)熱元器件表面溫度每小時變化波動范圍在1內時，稱溫度穩(wěn)定。設備外部環(huán)境溫度設備外部環(huán)境溫度：設備達到穩(wěn)定溫度時距離設備各主要表面幾何中心80mm處空氣溫度按各表面積的加權

8、平均值。機柜機柜/箱表面溫度箱表面溫度：設備達到穩(wěn)定溫度時各主要外表面幾何中心點上溫度的平均值。熱點熱點：元器件、散熱器和冷板的各個局部表面溫度最高的位置。熱點器件指單板上溫度最高和較高的器件。溫升溫升：元器件表面溫度與設備外部環(huán)境溫度的差值。用符號t表示。 2022-3-2210熱設計的基礎知識v熱設計的基本概念溫度與溫升的區(qū)別溫度與溫升的區(qū)別：溫度是量化介質熱性能的一個指標，是一個絕對概念；溫升是指介質自身或介質間溫度的變化范圍，它總是相對于不同時刻或同一時刻的另一介質，是一個相對概念。風道的局部阻力與沿程阻力風道的局部阻力與沿程阻力：局部阻力指由于風道的截面積發(fā)生變化而引起的壓力損失；

9、沿程阻力指由于流體粘性而引起的壓力損失。表征溫度的方式表征溫度的方式： 表征介質溫度的方式有三種：攝氏溫度，絕對溫度，華氏溫度，它們的換算關系如下： TK273Tc, Tc=5(TF-32)/9層流與紊流層流與紊流(湍流湍流)：層流指流體呈有規(guī)則的、有序的流動，換熱系數(shù)小，流阻??；紊流指流體呈無規(guī)則、相互混雜的流動，換熱系數(shù)大，流阻大。根據流動的雷諾數(shù)大小來判斷。2022-3-2211熱設計的基礎知識Laminar Flow層流（流體分子的層流（流體分子的流線相互平行，互流線相互平行，互不交叉）不交叉）Turbulent Flow湍流（流體分子湍流（流體分子不規(guī)則運動）不規(guī)則運動）2022-3

10、-2212熱設計的基礎知識v熱量傳遞的基本方式 熱量傳遞有三種基本方式熱量傳遞有三種基本方式：導熱、對流和輻射它們可以單獨出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時出現(xiàn)2022-3-2213熱設計的基礎知識v導熱導熱(熱傳導)的機理：熱傳導是不同溫度的物體（固體，液體，氣體）直接接觸或物體內部不同溫度的各部分之間能量交換的現(xiàn)象。傳導過程中，能量主要通過以下方式傳遞:自由電子的運動（固體金屬）分子晶格振動彈性波的作用（一般固體和液體）分子不規(guī)則熱運動時的相互碰撞（氣體）2022-3-2214熱設計的基礎知識導熱的基本方程（在一維穩(wěn)態(tài)溫度場下） QF導 t/=t/R導 - 導熱系數(shù)，W/m.K或W/m.; F

11、導- 垂直于導熱方向的截面積，m2 T- 溫差，; - 厚度(m) R導- 導熱熱阻, /W； 2022-3-22151 m1 m1 mT1T2WQ= Effect (W)T1= Inlet temp (C, K)T2=Outlet temp (C, K)A= Cross section area (m2)= Distance between plane (m)= Thermal Conductivity (W/mK)熱設計的基礎知識2022-3-2216熱設計的基礎知識v熱設計的基礎數(shù)據常用材料的導熱系數(shù)常用材料的導熱系數(shù)2714038690150204192導導熱熱系系數(shù)數(shù)(w/m.k)鐵

12、鐵黃黃銅銅紫紫銅銅壓壓鑄鑄鋁鋁ACD12防防銹銹鋁鋁LF21純純鋁鋁鋁鋁合合金金6063材材料料272.10.033701-40.5350.71導導熱熱系系數(shù)數(shù)(w/m.k)氧氧化化鈹鈹空空氣氣氮氮化化鋁鋁陶陶瓷瓷導導熱熱絕絕緣緣材材料料硅硅脂脂三三氧氧化化二二鋁鋁陶陶瓷瓷云云母母材材料料2022-3-2217熱設計的基礎知識v常用PCB基材的導熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)CTE (10Substrate MaterialThermal ConductivityGlass-epoxy (FR4)12 160.15Glass-polyimide13 170.35Polyimide Kevlar4 80.1

13、2Polyimide-quartz6 120.35Copper-clad Invar6 7165 (lateral)16 (transverse)Alumina5 737FR4 with compliant0.15 0.2conforms / C-6o)2022-3-2218熱設計的基礎知識Heat sinkHeat sourceActual contact area 2% of apparent contact area Surface should be smooth Use thermal interface material Apply pressurev接觸熱阻2022-3-2219

14、熱設計的基礎知識選用導熱系數(shù)較大的材料（金屬材料）制造熱傳導零件；最大限度地減少接觸熱阻（適當增大熱傳導零件間的接觸面積和壓力，在兩接觸面間涂導熱硅脂或墊入軟金屬箔等）；盡量縮短熱傳導路徑，熱傳導路徑中不應有絕熱或隔熱元件。v增強熱傳導的主要措施2022-3-2220熱設計的基礎知識對流換熱的基本方程對流換熱的基本方程：對流換熱機理： 對流換熱是發(fā)生在有溫差的固體表面和運動流體（氣體或液體）直接接觸時相互間的換熱過程，它既有流體分子間的導熱作用，又有流體本身的熱對流作用，是一種復雜的換熱過程。 對流可以是自然和強迫對流。自然對流是由冷、熱流體溫度變化引起的流體內部密度差而產生的流動；強迫對流則

15、是由外部方式（泵或風機）造成的流體內壓力不同引起的流動。v散熱的基本方式2022-3-2221熱設計的基礎知識對流換熱的基本方程(牛頓公式) QF對t=t/R對 - 對流換熱系數(shù)，W/m2.K或W/m2.; F對- 有效對流換熱面積，m2； T- 溫差，; R對流- 對流熱阻, /Wv散熱的基本方式2022-3-2222Q= Effect (W)T1= Temp media (C, K)T2= Temp media (C, K)A= Surface area area (m2)= Heat transfer coefficient (W/m2K)T1T2熱設計的基礎知識2022-3-2223v

16、Natural air5 W/m2KvForced air25 W/m2KvForced water15,000 W/m2KvEvaporation200,000 W/m2Kv估計的對流換熱系數(shù)大致范圍：熱設計的基礎知識2022-3-2224Air cooled heat sinksnatural convectionRadiation has to be calculated !Air flowLarge surface areaSmall surface area 2022-3-2225Fin height 80 mm0204060801001201401601805101520fin s

17、pacing, mmCooling effect, W00,511,522,533,544,55area (fin/air) and heat transfer coefficientEffect_convh, W/m2Karea, m2Air cooled heat sinksnatural convectionoptimal2022-3-2226Heat sink orientationnatural convectiongravity2022-3-2227Air-cooled heat sinks Forced convection - fan curveCharacteristic c

18、urve of the fanOptimal operating regionHigh pressure-dropLow pressure-drop2022-3-2228Apparent cooling area vs. effective cooling area for air coolingforced air-cooling, medium speed fin thickness t=0.7 mm0204060801001200102030405060Fin height, mmfin area, mm200,10,20,30,40,50,60,70,80,91fin efficien

19、cyapparent cooling areaeffective cooling areaFin efficiencyHeat flowLow efficiencyT_fin = T_airq = hA (Ths-Tair)2022-3-2229熱設計的基礎知識流體的物理性質（流體的導熱系數(shù)、比熱容、密度和動力粘度等）；換熱表面的形狀、大小和位置。v影響對流換熱的因素加大溫差，降低散熱物體周圍對流介質的溫度；加大散熱面積，采取有利于對流散熱的形狀和安裝位置；加大對流介質的流動速度，以帶走更多的熱量（強迫對流比自然對流的對流表面換熱系數(shù)大）；選用有利于增強對流換熱的流體作為介質（液體比氣體的對流

20、換熱能力強）。v增強對流散熱的主要措施2022-3-2230熱設計的基礎知識輻射的基本方程：輻射的基本方程：v輻射發(fā)生在兩種沒有直接接觸的表面, 能量通過電磁波傳遞, 伴隨能量形式的兩次轉化。所有物體大于0 K均發(fā)生熱輻射幾乎所有熱輻射發(fā)生在紅外波長范圍(熱射線波長0.1100微米)能量傳遞率與物體表面狀況及相關物體之間的角系數(shù)有關(影響輻射換熱的因素有：物體的表面溫度，尺寸，形狀，相互位置以及表面的輻射性質。) Q5.6710-812f12F輻射(T14-T24) 12- 系統(tǒng)黑度，121/(1/1+1/2-1) 1，2-分別為物體1和物體2的黑度; f12- 角系數(shù) F輻射 -物體的輻射面

21、積，m2; T1, T2-分別為物體1和物體2的絕對溫度，K2022-3-2231Q= Effect (W)T1= Temp surface 1 (C, K)T2= Temp surface 2 (C, K)A= Section area (m2)= Stefan-Boltzmans (5.67E-8, (W/m2K4) F12= Form factor, 2 bodiesRadiation= Heat transfer radiation (W/m2K)RT1T2熱設計的基礎知識2022-3-2232熱設計的基礎知識在零部件或散熱片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其輻射系數(shù)，從而增強輻射能力；熱敏感

22、元件的表面應做成光亮的表面，減小其輻射系數(shù)，從而減小吸收輻射熱量；加大輻射體的表面積；設法降低設備周圍的溫度，加大輻射體與周圍環(huán)境的溫差。v增強輻射散熱的主要措施2022-3-2233熱設計的基礎知識v熱電模擬法熱電模擬法熱電模擬法：用電氣工程師熟悉的電路網絡表示方法來處理熱設計問題，將熱流量(功耗)模擬成電流；溫差模擬成電壓(或電位差)；熱阻模擬成電阻，熱導模擬成電導；熱容模擬成電容。溫度(溫差) 是引起熱流量傳遞的“電位”；恒溫熱源等效于理想的恒壓源；恒定的熱流源等效于理想的電流源。熱沉等效于“接地”或“地線”，所有的熱源和熱回路均與其相連，形成熱電模擬網絡，導熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可

23、用熱阻來處理。熱阻的串聯(lián)與并聯(lián)熱阻的串聯(lián)與并聯(lián)：等效于電路的串聯(lián)與并聯(lián)， 串聯(lián)的熱阻為各部分熱阻之和 并聯(lián)的熱阻的倒數(shù)等于各部分熱阻的倒數(shù)之和。 2022-3-2234熱設計的基礎知識v熱電模擬法電阻的并聯(lián)：1/R=1/R1+1/R2+.熱阻的并聯(lián)：1/Rth=1/Rth1+1/Rth2+.電阻的串聯(lián)：R=R1+R2+.熱阻的串聯(lián)：Rth=Rth1+Rth2+.電容 C(法)熱容 CWCp(cal/)電阻 RI/Vab(歐姆)熱阻 Rth=T/P(/W)電壓 VabVa-Vb(V)溫差 T=T2-T1()電流 I(A)熱流 P(W)電電路路熱熱路路2022-3-2235熱設計的基礎知識v熱路及

24、熱網絡的案例分析熱阻的串聯(lián)熱阻的串聯(lián)Rtotal = Rth j-a = Rth j-c + Rth c-aRth j-a = Rth j-c + Rth c-aRth j-p-a = Rth j-p + Rth p-aRtotalRth c-aRth j-cSingle chip PCBA modelSingle chip model熱阻的并聯(lián)熱阻的并聯(lián)2022-3-2236熱設計的基本要求及設計準則v元器件的散熱途徑2022-3-2237熱設計的基本要求及設計準則v熱設計的實施過程2022-3-2238熱設計的基本要求及設計準則v功率器件選擇的主要原則在其它性能參數(shù)相同的情況下，應優(yōu)先選用

25、允許結溫Tj高的功率器件（根據供應商手冊提供的數(shù)據進行篩選）；在其它性能參數(shù)相同的情況下，應優(yōu)先選用結殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據供應商手冊提供的數(shù)據進行篩選）。在其它性能參數(shù)相同的情況下，應優(yōu)先選用傳熱面較大的功率器件(根據供應商手冊提供的數(shù)據進行篩選）,以減小功率器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。2022-3-2239熱設計的基本要求及設計準則v功率器件的結溫計算如果已知道散熱器臺面溫度Ts , 則器件的工作結溫為： Tj=Ts+ PTRth(j-s) 如果已知散熱器的熱阻，環(huán)境溫度，則器件的工作結溫為： Tj=Ta+ PTRth(j-a)2022-3-2240熱設計的基本要求及設計準則

26、vPCB的熱設計的基本準則之一的熱設計的基本準則之一：加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔，以加大PCB的散熱面積Balance clabconstructionThermal EpoxyCopper discRth j-p2022-3-2241熱設計的基本要求及設計準則vPCB的熱設計的基本準則之二：的熱設計的基本準則之二：散熱焊盤由過孔連接到內層夾心層進行散熱和熱平衡LCCCsolderedthermal padCopper cladinvar coreThermal viaElectrical viaSubstrateSolder Joint2022-3-2242熱設計的基本要求及設計準則v

27、PCB的熱設計的基本準則之三：的熱設計的基本準則之三：增大散熱面積及對流Rth c-aRth j-c散熱器風扇2022-3-2243vPCB的熱設計的基本準則之四：的熱設計的基本準則之四：CTE(熱膨脹系數(shù))的補償：50um elastomeric layerglass-epoxyceramic chipsolder jointSubstrateSolder paste withporcelain or metalspheresstandoff1. 柔柔性性層層2. Stand-offv利用彈性材料和焊點作緩沖，減小CTE失配帶來的影響； v選用有引腳器件。2022-3-2244vPCB的熱設

28、計的基本準則之五：的熱設計的基本準則之五：焊盤的隔熱設計(在過波峰焊或回流焊時由于散熱太快容易造成焊接不良)large massTrace width = 0.25 0.4mmfor 3 4 tracesTrace width = 0.35 0.6mmfor 1 2 traces2022-3-2245vPCB的熱設計的基本準則之六：的熱設計的基本準則之六：PCB布局設計應將不耐熱的元件(如電解電容器)放在靠近進風口的位置，而將本身發(fā)熱而又耐熱的元件(如電阻,變壓器等)放在靠近出風口的位置。應將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在出風口的位置。當元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及

29、元器件本身不足充分散熱，應采用散熱網、匯流條等措施。2022-3-2246vPCB的熱設計的基本準則之七：的熱設計的基本準則之七：大功率、熱敏器件的要求High power devicesnear edge of substrateheatsinkedge stripheat dissipatersheat sensitive devicetall, long devicere-circulationairflow2022-3-2247vPCB的熱設計的基本準則之八：的熱設計的基本準則之八：元器件間距d/D=0.7(c)(d)dd(a)d/D=0.85d/L=0.25dd/D=0.65(e)d

30、dmin=2.5mm(b)d熱表面熱表面熱表面熱表面熱表面熱表面冷表面冷表面冷表面冷表面DDDLL2022-3-2248vPCB的熱設計的基本準則之九：的熱設計的基本準則之九：元器件安裝應盡量減少元器件殼與散熱器表面間的接觸熱阻。采用短通路，盡可能避免采用導熱板或散熱塊把元器件的熱量引到散熱器表面，而元器件直接貼在散熱器表面則是最經濟、最可靠、最有效的散熱措施。 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應在接觸面涂導熱介質，常用的導熱介質有導熱脂、導熱膠、導熱硅油、熱絕緣膠等。 對器件須與散熱器絕緣的情況，采用的絕緣材料應同時具有良好的導熱性能，且能夠承受一定的壓力而不被刺穿。把器件裝配在散熱器上時

31、，應嚴格按照數(shù)據手冊中提供的安裝壓力或力矩進行裝配，壓力不足會使接觸熱阻增加，壓力過大會損壞器件。 將大功率混合微型電路芯片安裝在比芯片面積大的鉬片上。 對于多層印制線路板，應利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導熱阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。 當利用接觸界面導熱時，采用下列措施使接觸熱阻減到最小。 盡可能增大接觸面積； 確保接觸表面平滑； 利用軟材料接觸。 扭緊所有螺栓以加大接觸壓力(注意不應殘留過大應力)。 利用合理的緊固件設計來保證接觸壓力均勻。2022-3-2249v自然冷卻風路的設計原則功能單元(模塊)布局應考慮機柜的風路設計要求, 對直齒型散熱器, 應保證散熱器的齒槽垂直于水平面,

32、 有利于形成“煙囪”效應。元器件應縱向排列,讓元器件的長邊與空氣上升的方向平行。 機箱內元器件布置應較稀疏，有利于空氣流通。進出風口的高度差盡可能大。2022-3-2250v強迫風冷風路的設計原則如果發(fā)熱分布均勻，元器件的間距應均勻，以使風均勻流過每一個發(fā)熱源；如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應稍密些，或加導流條，以使風能有效的流到關鍵發(fā)熱器件。 如果風扇同時冷卻散熱器及模塊內部的其它發(fā)熱器件，應在模塊內部采用阻流方法，使大部分的風量流入散熱器。進風口的結構設計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。202

33、2-3-2251v風路的設計原則自然冷卻條件下，對設備內有多塊PCB板時，應與進風方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應大于30mm，以利于對流散熱；對強迫風冷條件下，PCB板的間距可以適當減小，但必須符合安規(guī)要求。底板、隔熱板、屏蔽板、印制板的位置應以不要阻礙或阻斷氣流為原則。2022-3-2252v風道的設計原則 一些產品如變頻器有專門的通風管道，風道設計應注意下面幾個問題：風道盡可能短，縮短管道長度可以降低風道阻力。盡可能采用直的錐形風道，直管加工容易，局部阻力小。風道的截面尺寸最好和風扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為圓形，也可以是正方形或長方形。2022-3

34、-2253v冷卻方法的選擇原則冷卻方法種類冷卻方法種類 常用的冷卻方式有：自然冷卻，強迫風冷，強迫液冷，蒸發(fā)冷卻，熱電致冷，熱管冷卻，冷板技術。選擇冷卻方法須考慮的因素選擇冷卻方法須考慮的因素 設備的熱流密度，總損耗，能提供的散熱表面積及體積，設備和元器件的允許溫度(溫升)，環(huán)境條件等。2022-3-2254v冷卻方法的選擇原則確定冷卻方法的原則確定冷卻方法的原則 在所有的冷卻方法中應優(yōu)先考慮自然冷卻，因為自然冷卻不僅成本低，而且可靠性高。只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。 當冷卻表面的熱流密度為0.024-0.039W/cm2，采用自然對流，上限適用于通風條件較差的情況，下限

35、適用于通風條件較暢的場合。 當冷卻表面的熱流密度為0.078W/cm2，采用強迫風冷。2022-3-2255v型材散熱器的選擇及設計原則材質的選擇 散熱器材料應具有較高的導熱系數(shù)，一般推薦使用 鋁型材散熱器：6063（LD31） =180W/m.k 特殊條件下： 紫銅T2 =380W/m.k 散熱器的各項技術指標應符合 電力半導體器件型材散熱器技術條件。散熱器安裝器件的表面光潔度Ra1.6。肋片高=(3-5)倍肋間距的設計具有最優(yōu)的性能價格比。表面應加波紋齒，波紋齒高為0.3-0.5mm,寬為0.5-1mm,以增加對流換熱面積； 應保證散熱器具有一定的基板厚度，推薦5-10mm之間；而對工作在

36、間歇方式下的散熱器，基板的大小應充分考慮散熱器的瞬態(tài)熱阻，具體情況具體設計。 對只安裝一個器件在散熱器的中央，散熱器的長度應為截面寬度的1.5-2倍。當散熱器流向長度大于300mm以上，應把散熱器的肋片從中間斷開，以增加流體擾動，提高對流換熱系數(shù)。對自然對流條件下，散熱器的齒間距應大于12mm，以避免熱邊界層相互交叉。 2022-3-2256 鋁型材散熱器鋁型材散熱器2022-3-2257 利用焊接技術生產的散熱器，散熱面積大、重量輕、底板可進行復雜形狀加工。焊接型散熱器焊接型散熱器2022-3-2258v設計準則自然冷卻條件下，散熱器表面的熱點溫升小于50。強迫風冷條件下，散熱器表面的熱點溫

37、升小于45。電感及變壓器的表面溫升小于50。模塊進出口風溫小于20。PCB表面的熱點溫升小于30。2022-3-2259風扇的種類按工作類型分：有軸流風扇和離心風扇、混流風扇三類。 軸流風機：風量大，壓頭小，噪音小 離心式風機：風壓較高，一般適應于阻力較大的發(fā)熱元器件或機柜冷卻按軸承類別分：有滾動軸承及含油軸承(軸瓦軸承)兩類，由于含油軸承的使用壽命比滾動軸承低的多，一般電子設備均采用滾動軸承。按輸入電源類型分：有直流風扇和交流風扇兩大類。2022-3-2260v直流風扇與交流風扇的比較交 流， 不需 輔助 電源直 流， 須增 加輔 助電源輸 入電 源a、 線圈 ：由于 線圈 發(fā)熱 ，引起穩(wěn)

38、定升 高， 容易 導致絕 緣不良 ，耐 壓不 良， 斷線及 短路 (絕緣 薄膜 熔化 )現(xiàn) 象。b、 軸承 ：由于 潤滑 油發(fā) 熱揮發(fā) ，磨 損增 大， 導致轉 速上 不去 ，速 度不 均勻 ，噪音 增大 ，再 啟動 不良 。a、 線圈 ：由于 線圈 發(fā)熱 ，引起穩(wěn) 定升 高， 容易 導致絕 緣不良 ，耐 壓不 良， 斷線及 短路 (絕緣 薄膜 熔化 )現(xiàn) 象。b、 PCB：由 于過 壓引 起轉速 過高 ，軸 承磨 損增 大，器 件損壞 。c、 軸承 ：由于 潤滑 油發(fā) 熱揮發(fā) ，磨 損增 大， 導致轉 速上 不去 ，速 度不 均勻 ，噪音 增大 ，再 啟動 不良 。影 響壽 命的因 素102

39、03070效 率風 扇的 力矩 曲線 為非線 性， 在局 部區(qū) 域內 容易 出現(xiàn)工 作不 穩(wěn)定 (當 載 荷曲線 與相 切時 )， 啟動力 矩小 ，容 易出 現(xiàn)不能 啟動 的現(xiàn) 象風 扇的 力矩 曲線 為線性 ，在 整個 區(qū)域 內工 作穩(wěn) 定，啟 動力 矩大 ，不 容易 出現(xiàn) 不能啟 動的 現(xiàn)象風 扇特 性曲線線 圈繞 組多 ，發(fā) 熱大， 溫度 上升 較快 ，壽 命短線 圈繞 組少 ，溫 度上升 較慢 ，壽 命長溫 度上 升率轉 子重 ，轉 速低 ，一般 轉速 小于 3000RPM， 風 量低由 于轉 子輕 ，轉 速高， 風量 大轉 速AC FANDC FAN2022-3-2261v吹風與抽風

40、方式的選擇原則 優(yōu)先采用吹風方式，吹風有如下優(yōu)點優(yōu)先采用吹風方式，吹風有如下優(yōu)點：風量相對較集中，可以以較大的風速針對局部區(qū)域進行集中冷卻。能夠有效防止風扇馬達過熱，提高風扇的使用壽命?？梢砸暂^大的壓力迫使灰塵不能夠在機箱內聚積，而通過出風口或縫隙流出。 只有在以下情況下才選擇抽風只有在以下情況下才選擇抽風：希望流場規(guī)則或呈現(xiàn)層流；各部分風量比較均勻，適用于熱量比較分散的整機或機箱。進風口無法安裝風扇。不希望風扇馬達加熱空氣而對后面的元器件產生影響。不希望熱風吹到客戶。2022-3-2262v風扇曲線及風扇的工作點2022-3-2263v風扇的串聯(lián)與并聯(lián)流量：Q=Q1=Q2靜壓：P=P1+P2

41、流量：Q=Q1+Q2靜壓：P=P1=P22022-3-2264v海拔高度對風扇性能的影響由于體積流量只與風扇的轉速成正比，所以，體積流量不受海拔高度的影響。由于質量流量正比于空氣的密度，而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低，所以質量流量也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。由于壓力正比于空氣的密度，而空氣的密度隨海拔高度的升高而逐漸降低，所以壓力也會隨海拔高度的升高而逐漸降低。 (P0)altitude = (P0)Sea Level (raltitude/rSea Level)2022-3-2265風扇的基本知識v海拔高度對風扇曲線及工作點的影響QDPHigh AltitudeCurveSea

42、Level Curve2022-3-2266風扇的基本知識v海拔高度對系統(tǒng)阻力的影響QHigh AltitudeCurveSea Level CurveDP a k vm2022-3-2267風扇的基本知識v如何修正海拔高度對散熱的影響？ DT altitudeMultiplier DT Sea Level Altitude (feet) Multiplier 0 (Sea level) 1.0 3000 1.1 5000 1.14 7000 1.17 8350 1.2 2022-3-2268風扇的基本知識v風扇的安裝原則設備中最大損耗的元器件應靠近出風口。保證進風口或出風口面積大于風扇的通風

43、面積。保證空氣流通并能夠以較大的風速流過較熱的區(qū)域。避免在兩個熱點之間用一個小風扇來冷卻。溫度敏感的元器件應盡量靠近風扇入口。盡可能采用吹風以防止灰塵聚積。盡可能采用空隙率較大的防塵網以減小阻力。保證風扇工作的風扇曲線的安全區(qū)，嚴禁風扇工作在曲線的拐點附近。對吹風的情況，為了避免風扇的SWIRL的影響，風扇與最近的障礙物間至少保證一個風扇的距離。2022-3-2269風扇的基本知識v風扇的安裝原則2022-3-2270風扇的基本知識v風扇的安裝原則 風扇安裝在系統(tǒng)中，由于結構限制，進風口和出風口常常會受到各種阻擋，其性能曲線會發(fā)生變化，如圖所示。可以看出，風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的

44、距離，如果有空間限制，也應至少有一個風扇的厚度。2022-3-2271熱界面材料v為什么要用熱界面材料？通常元器件及散熱器表面總是凸凹不平，甚至呈扭曲狀，當兩個面連接時，接觸只發(fā)生在最高點，低點形成充滿空氣的空隙，而空氣的導熱系數(shù)非常小，導致接觸面的接觸熱阻非常大。使用熱界面材料可以消除低點的空氣空隙，而熱界面材料的導熱系數(shù)通常是空氣的10倍以上，從而可以減小界面的接觸熱阻。2022-3-2272熱界面材料v熱界面材料的種類不絕緣的熱界面材料 硅脂硅脂：導熱硅脂是一種用硅聚合物所制成的復合性油脂，內含高度分散及經微粉化的金屬氧化物，其基本成分為有機硅材料化合物和合適的稠化劑，導熱系數(shù)大于0.5

45、W/m.k。硅脂不易清潔，很難保證涂敷周圍的干凈、整潔。但由于其價格低廉，廣泛應用于電子產品中。 相變材料相變材料：材料在達到其融化溫度后發(fā)生相變，變成易流動的滑脂狀，在較小壓力的作用下迅速填充滿兩接觸面間的空隙，從而減小接觸熱阻。目前其相變溫度有45和60兩種，其熱阻特性值小于0.05-in2/W，其壓力通常只要幾個PSI。相變材料由于操作中易保持周圍清潔，且對安裝壓力不敏感，因此成為硅脂的替代材料。但由于其價格昂貴及儲存特殊，目前未獲得推廣應用。2022-3-2273熱界面材料v熱界面材料的種類具有電絕緣性能的熱界面材料 熱膠帶熱膠帶：是一種用聚丙烯或硅酮作為粘接劑的導熱膠帶，一般采用氧化

46、鋁或二硼化鈦填料涂在KAPTON膜、鋁箔玻璃纖維、多孔鋁網上。主要應用于無法采用螺釘緊固的場合，其導熱性能一般都較差。 陶瓷基片陶瓷基片：有三氧化二鋁陶瓷及氮化鋁陶瓷之分，氮化鋁陶瓷基片的導熱性能可與鋁型材媲美，但由于其價格通常為三氧化二鋁陶瓷的35倍，所以未獲普遍應用。三氧化二鋁陶瓷的導熱系數(shù)為27w/m.k，其價格較低，但其易碎的致命弱點導致其逐漸被導熱絕緣膜取代。 云母云母：早期主要的導熱絕緣材料，其導熱系數(shù)為0.5w/m.k，目前已完全被替代。2022-3-2274熱界面材料v熱界面材料的種類具有電絕緣性能的熱界面材料 導熱絕緣膜導熱絕緣膜： 導熱絕緣材料一般由基片/基材及填充料構成，

47、基片/基材主要是為了物理加強，提高介電強度，基片/基材的種類有玻璃纖維、介電質料及聚脂、硅橡膠或它們的組合。 填充料是為了改善導熱絕緣材料的導熱性能而填入的高導熱性能物質，如Al2O3、BN，BeN等。 間隙材料間隙材料：是一種低模量（軟）、熱傳導的硅合成橡膠，應用于較大或變化的間隙處。2022-3-2275熱界面材料v導熱絕緣材料的選擇與使用選擇材料前，要先計算出允許熱阻是多少，然后根據允許熱阻參照我們的優(yōu)選庫或供應商的技術資料來選擇，材料的許用熱阻按下式計算： Rth=T/P 其中：Rth導熱絕緣材料的許用熱阻，/W; T元器件與散熱器間允許的溫升， P元器件的損耗，W確定材料的熱性能 從

48、供應商提供的樣本中初選一種材料，查出其熱阻特性值Zth。 根據應用條件(主要指器件的封裝尺寸)確定材料的外尺寸。 計算出導熱絕緣材料的面積F 確定規(guī)定尺寸下材料的熱阻 Rth=Zth/F如果RthRth,則符合熱設計要求，否則重新選擇材料，重復以上步驟。2022-3-2276熱界面材料v導熱絕緣材料的選擇與使用案例1在HD481003模塊中，散熱器表面溫度在40的環(huán)境條件下為75，采用TO247封裝的MOS管損耗為30W，器件的最高結溫為TjMAX=150 ，熱阻為1.0/W，元器件的降額按80考核，請選擇一種合適的導熱絕緣材料。第一步：規(guī)格書允許元器件工作結溫最大為：Tj= Tjmax80%

49、=120 ;第二步：器件的殼溫為：Tc=Tj-PRjc=120-301.0=90 ;第三步：確定材料的許用熱阻： Rth=T/P(TCTS)/P =(90-75)/30=0.5 /W第四步：確定材料的尺寸及面積 對于TO247封裝，外形尺寸為：2.1461.626cm F=2.1461.626=3.5cm2第五步: 初步選定貝格斯公司的SP2000，其熱阻特性值 Zth0.2-in2/W=1.29-cm2/W第五步: 確定該材料的熱阻值 Rth=Zth/F1.29/3.5=0.37 /W5 樣品的任何一表面與箱壁間距大于20cm. 如果采用強迫空氣循環(huán)，風速小于0.5m/s.溫度測試的項目 設

50、備內部環(huán)境溫度 機箱表面溫升（自然對流換熱時測量） 關鍵元器件和發(fā)熱元器件的表面溫升 散熱器和冷板的熱點溫升 冷卻空氣入口溫度與出口溫升2022-3-2279熱設計的驗證方法v溫度測試測點的布置方法（一） 環(huán)境溫度的測點布置環(huán)境溫度的測點布置 自冷:設備外部環(huán)境溫度的測試點應布設在距各主要表面80mm處。 高度大于800mm的設備，在側面高度方向上應均勻布置2點以上的測點。 強迫風冷（使用風扇）：外部環(huán)境溫度可在距離空氣入口80200mm的地方測量一點或多點即可。 機箱表面的測點布置：機箱表面的測點布置：機箱表面溫度測點應布置在機箱各表面幾何中心，如果機柜高度大于800mm，則在側面高度方向上

51、應均勻布置2點以上的測點。使用強迫風冷散熱的機柜可以不必測量表面溫度。 設備風道的進、出口處的測點布置要求：設備風道的進、出口處的測點布置要求：冷卻空氣入口、出口溫度的測點，應盡量在入口、出口處與風速方向垂直的截面內布置若干個測點，各取平均值。如果時間和熱電偶充足，最好在設備內部氣流的主通道上（各插框單板間，插框與插框間），沿空氣流動方向均布若干個測點。2022-3-2280熱設計的驗證方法v溫度測試測點的布置方法（二） 元器件表面溫度的測點布置方法元器件表面溫度的測點布置方法 測點布置的原則：將測點布置在元器件溫度最高或較高的熱點上，這些點通常在距離元件內部發(fā)熱點最近或散熱條件最差的地方。

52、扁平封裝的集成芯片：發(fā)熱平面的幾何中心。 半導體功率晶體管管殼溫度：布置在管座距管芯最近的熱點位置上。一般來說，不導熱緊固件與元件表面接觸的縫隙是難以散熱的位置；元件表面印字的位置距離管芯發(fā)熱點較近。 功率電阻器：垂直放置的，應布置在垂直高度的2/3處； 水平放置的，布置在中間位置。 電容元件表面溫度： 金膜電容引腳與電容體連接的部位是溫度較高的位置。 電解電容最好能將頂部塑料殼割開，測試鋁殼的溫度。2022-3-2281熱設計的驗證方法v溫度測試測點的布置方法（三） 電磁元件表面溫度：布置在距離散熱通道最遠的地方，而且應該分別測試磁芯和線包的溫度，以分別得出銅損和鐵損的參考值。有可能的話，將

53、測點布置在線包的最內層和磁芯的內部，如果以上測點實現(xiàn)起來較困難，則可以在表面散熱條件最差的位置布置測點，測得結果需要再加上10的經驗值。 對于溫度臨界或對溫度敏感的元器件表面溫度：一般應在元器件表面熱點附近布置兩個測點，其值應取大者；如果需要測試布置在散熱器上的溫度繼電器的動作溫度，一般選擇散熱器距離溫度繼電器最近的位置布置兩個以上測點，取最大值。 散熱器：布置在散熱器基板上對應于元器件發(fā)熱中心的位置，不能布置在翅片上。2022-3-2282熱設計的驗證方法v溫度測試測試儀器 溫度測量儀器包括熱電偶、玻璃溫度計、示溫漆和示溫蠟、電阻溫度計、熱敏電阻、光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)等。 與熱電偶配套的

54、檢測儀表：熱電偶的溫度檢測通常采用多路采集器。測試精度為0.1。 玻璃溫度計：玻璃液體溫度計通常用來測量流體溫度和校準其它的測溫儀器如熱電偶等。玻璃溫度計的精度可以達到0.01。 示溫漆與示溫蠟：示溫漆是一種隨溫度變化而變化的漆，漆的顏色變化達四種之多，不同的顏色代表不同的溫度。示溫漆還可以用于顯示某個區(qū)域的溫度場及熱流模式。示溫蠟是在特定的溫度下熔化的蠟狀物質，從而顯示出溫度。示溫漆與示溫蠟的精度較差，一般在5(9) 電阻溫度計：電阻溫度計與熱電偶的原理及用途相似，兩者均因輻射影響而產生誤差。其精度為0.1。 熱敏電阻：熱敏電阻遵循電阻測溫學的原理，由于它的溫度系數(shù)很大，所以靈敏度高得多，其

55、缺點是容易老化，需進行定期校準，其測試精度為0.1。 光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)等：光學溫度計、紅外掃描系統(tǒng)均通過測量一個熱源的紅外輻射而得到溫度。其測試精度最高可以達到0.3。由于測量時必須準確知道被測表面的發(fā)射率且要求被測表面必須可見，限制了它們的使用。2022-3-2283熱設計的驗證方法v溫度測試熱電偶 熱電偶的選擇：熱電偶的種類較多，就通信設備來講，由于我們設備的溫度一般低于200以下，在該范圍內銅-康銅或鎳鉻-康銅熱電偶具有較高的精度，為K型熱電偶， 其分度值應符合GB 2903和GB 4993的規(guī)定。熱電偶的測試精度為0.1。 熱電偶的焊接方法：通常采用熔焊的方法把銅-康銅或鎳鉻-

56、康銅焊接在一起，不允許采用把銅-康銅粘接在一起的方法。 熱電偶的粘接方法及減小測量誤差的措施：熱電偶采用導熱膠粘接粘貼在被測表面，為了保證測試結果的精度，熱電偶探頭固定在測溫表面上時，必須將一段熱電偶導線沿測溫表面的等溫線布置，這樣可以消除熱電偶導線本身導熱而導致的測量誤差。導線長度應大于10mm。2022-3-2284熱設計的驗證方法v溫度測試熱電偶 熱電偶探頭固定在測溫表面上時，最好是將感溫端焊成一個焊球與被測表面點接觸，在工作中如果做不到的話，也可以將一段熱電偶導線沿測溫表面的等溫線 布置，這樣便于熱電偶的固定，而且熱電偶本身導熱帶來的測試誤差也比較小。粘貼膠為樂泰膠水LOCTITE416（編碼XA210009）和樂泰催化劑LOCTITE7452（編碼XA210008）。 粘貼方法：手握熱電偶感溫端的導線，將感溫端置于被測面上，并保證熱電偶感溫端與被測表面的緊密接觸；另