電子散熱設(shè)計(jì)講義課件

電子冷卻散熱設(shè)計(jì)通論凌昕

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?熱設(shè)計(jì)的概念和基礎(chǔ)

?冷卻方法的選擇

?風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則

?風(fēng)機(jī)的選用方法和原則

?噪聲測(cè)量及控制

?PCB板熱設(shè)計(jì)

?散熱器的選擇

?熱測(cè)試的目的和方法

?熱仿真分析熱設(shè)計(jì)的概念和基礎(chǔ)

(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)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(dòng)6%Dust

粉塵圖1:結(jié)點(diǎn)壽命統(tǒng)計(jì)(Source:GECResearch)故障率\10萬(wàn)小時(shí)來(lái)源：GEC研究院來(lái)源：美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目ThePrimaryCauseforFailureinElectronicEquipment

電子設(shè)備故障的主要原因結(jié)點(diǎn)溫度(“熱”對(duì)電子可靠性的影響1.約40%以上的電子產(chǎn)品可靠性(壽命)故障是由溫度問(wèn)題引起的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽命減少一半。2.電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（電容影響最明顯）3.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(zhǎng)

失效的比例可描述為： F=Ae-E/KTwhere,F=failurerate,失效率A=constant常數(shù)E=activationenergyinelectronvolts(eV)激活的電能K=Boltzmann’sconstant(8.63e-5eV/K),andT=junctiontemperatureinK熱設(shè)計(jì)的定義綜合利用傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種換熱手段，設(shè)計(jì)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(guò)程稱為熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的目的為了保證產(chǎn)品在指定的環(huán)境規(guī)格條件下正常工作

并達(dá)到產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)，從而滿足對(duì)產(chǎn)品各部

分溫升的限制性要求。熱設(shè)計(jì)目標(biāo)是可靠性目標(biāo)

的一部份。

熱量傳遞的基本方式熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)或從物體高溫部分傳向低溫部分。三種傳遞方式：1、傳導(dǎo)2、對(duì)流3、輻射常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)：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(jià)格）,石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可以達(dá)到600，而且重量很輕。導(dǎo)熱系數(shù)大，內(nèi)部溫差就小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(dá)10000以上對(duì)流流體通過(guò)一固體表面時(shí)發(fā)生的流體與固體壁面的換熱現(xiàn)象。Q----對(duì)流散熱量,WhC----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=hcA△t對(duì)流換熱對(duì)流換熱量與兩個(gè)因素有關(guān)，表面流速與換熱面積。我們使用散熱片，實(shí)質(zhì)上就是增加換熱面積；當(dāng)速度增加到一定程度后，換熱量的增加就不是很明顯；通常，在風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻的情況，插箱單板間的風(fēng)速可超過(guò)1m/s。輻射通過(guò)電磁波傳遞熱量的過(guò)程。Q=ε·σ·T4Q----輻射散熱量,Wε----散熱表面輻射率,W/m2·℃σ----斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),5.67×108(W/m2K4)T----絕對(duì)溫度,K輻射換熱

輻射換熱主要要求溫差大；輻射率的影響因素：材料、表面粗糙度、波長(zhǎng)等；對(duì)戶外設(shè)備，輻射率大，吸收率也大，因此要注意防輻射的措施；對(duì)于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時(shí)，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對(duì)于強(qiáng)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。冷卻方法的選擇選擇冷卻方法時(shí)，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、用戶要求等。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(cè)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(jì)性；自然散熱當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度小于0.08w/cm2，體積功率密度不超過(guò)0.18w/cm3時(shí)，通?？刹捎米匀粚?duì)流冷卻。自然對(duì)流冷卻是利用空氣流過(guò)物體表面時(shí)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。在自然散熱中，傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射都要考慮。強(qiáng)迫風(fēng)冷當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過(guò)0.08w/cm2，體積功率密度超過(guò)0.18w/cm3時(shí)，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問(wèn)題，需要外加動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)迫空氣冷卻。強(qiáng)迫空氣冷卻一般是用通風(fēng)機(jī)，使冷卻空氣流經(jīng)電子元器件將熱量帶走。風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則風(fēng)道定義：產(chǎn)品不管采用自然散熱，還是強(qiáng)迫風(fēng)冷，首先必須合理地設(shè)計(jì)風(fēng)道。風(fēng)道是由機(jī)箱（插箱）、單板（元器件）、模塊、進(jìn)/出風(fēng)口等組成，依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)散熱方式的不同，風(fēng)道可以分為自然散熱風(fēng)道和強(qiáng)迫散熱風(fēng)道，對(duì)于使用空調(diào)/換熱器的戶外系統(tǒng)，又包括內(nèi)風(fēng)道和外風(fēng)道。風(fēng)道設(shè)計(jì)的基本原則–降低系統(tǒng)的壓力損失，力求對(duì)氣流的阻力最??；–合理控制氣流和分配氣流；–保證流過(guò)關(guān)鍵熱源的風(fēng)速；–防止風(fēng)道中產(chǎn)生空氣回流；–進(jìn)出口盡量遠(yuǎn)離，避免風(fēng)流短路；–防止系統(tǒng)中發(fā)熱部件（插箱）的相互影響。風(fēng)機(jī)的選用方法與原則風(fēng)機(jī)分類電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的風(fēng)機(jī)可以分為三類：軸流式風(fēng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)和混流式風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口平行；風(fēng)量大、風(fēng)壓小、噪音小、種類繁多、價(jià)格便宜；在通訊產(chǎn)品中較多的使用；離心風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口垂直；風(fēng)量小、風(fēng)壓高、噪音大、價(jià)格高、供應(yīng)商少；一般用于阻力較大的發(fā)熱元器件或機(jī)柜的冷卻；混流風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口平行；其性能介乎軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)之間，風(fēng)量大、風(fēng)壓也大；其出風(fēng)與進(jìn)風(fēng)有一傾斜角度，如有兩個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，則風(fēng)量可以擴(kuò)散到整個(gè)插框。風(fēng)扇馬達(dá)基本零組件

Transistor(電晶體)─電流放大

StatorCoil(線圈)─產(chǎn)生磁場(chǎng)

Thermistor(熱敏電阻)─溫控調(diào)節(jié)

StatorArmature(定子)─定向磁場(chǎng)

HallEffectSensor(霍爾感應(yīng)元件)─高低電平切換

RotorMagnet(磁鐵)─沖磁力使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的選擇選擇風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括：風(fēng)量、風(fēng)壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統(tǒng)（風(fēng)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(fēng)量和風(fēng)壓是主要參數(shù)。根據(jù)電子設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)所需之風(fēng)量和風(fēng)壓及空間大小確定風(fēng)機(jī)的類型。當(dāng)要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的設(shè)備，盡量采用軸流式通風(fēng)機(jī)，反之，則選用離心式通風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)的類型確定后，再根據(jù)工作點(diǎn)來(lái)選擇具體的型號(hào)和尺寸。風(fēng)機(jī)的特性曲線與工作點(diǎn)一般風(fēng)機(jī)規(guī)格上給出的特性曲線是風(fēng)機(jī)在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速下得到的，隨著轉(zhuǎn)速的提高，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓會(huì)增大。風(fēng)機(jī)的總壓力是用來(lái)克服系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風(fēng)道）的阻力特性曲線。系統(tǒng)（風(fēng)道）的阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)的特性曲線交點(diǎn)就是這個(gè)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。如果風(fēng)機(jī)安裝在系統(tǒng)Ⅱ中，其工作點(diǎn)就是B點(diǎn)，風(fēng)量為qvB(m3/s)，風(fēng)壓為pB(Pa)。風(fēng)機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)當(dāng)所選風(fēng)機(jī)的風(fēng)量或風(fēng)壓不能滿足要求時(shí)，可采用串聯(lián)或并聯(lián)工作方式來(lái)滿足要求：當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量能滿足要求，而風(fēng)壓不夠時(shí)，可采用風(fēng)機(jī)串聯(lián)的工作方式，以提高其工作壓力。當(dāng)風(fēng)道特性曲線比較平坦，需增大風(fēng)量時(shí)，可采用并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是氣流路徑短，阻力損失小，氣流分布比較均勻，但效率低當(dāng)風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)，其風(fēng)機(jī)特性曲線發(fā)生變化：風(fēng)量基本上是每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（略有增加），而風(fēng)壓則為相同風(fēng)量下兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓之和，如圖（a）所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用時(shí)，其風(fēng)壓比單個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓稍有提高，而總的風(fēng)量是各風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和，如圖（b）所示。風(fēng)機(jī)的其他問(wèn)題風(fēng)機(jī)的壽命：通常風(fēng)機(jī)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(shí)左右，風(fēng)機(jī)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(huì)下降一半；風(fēng)機(jī)的失效：風(fēng)機(jī)失效的兩個(gè)常用判據(jù)：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量小于實(shí)際風(fēng)量的30%（通常根據(jù)轉(zhuǎn)速）；風(fēng)機(jī)的噪音突然增大；風(fēng)機(jī)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(fēng)與吹風(fēng)首先，風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是：進(jìn)風(fēng)口流速較均勻，無(wú)流動(dòng)死區(qū)，而出風(fēng)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(méi)有絕對(duì)的抽風(fēng)好還是吹風(fēng)好，需要根據(jù)具體的情況確定。吹風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是，出風(fēng)口直接對(duì)準(zhǔn)被冷卻部分，風(fēng)量集中，風(fēng)壓大，適用于熱量分布不均勻，需要對(duì)專門區(qū)域進(jìn)行集中冷卻的情況；系統(tǒng)中為正壓，灰塵等不易進(jìn)入。缺點(diǎn)是風(fēng)速不均勻，存在死區(qū)（低速區(qū)），根據(jù)進(jìn)風(fēng)的不同，還可能存在局部回流區(qū)；進(jìn)風(fēng)流經(jīng)風(fēng)扇后，溫度會(huì)有所升高。而抽風(fēng)不存在死區(qū)，風(fēng)速較均勻，能較均勻地流過(guò)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(fù)壓，在惡劣環(huán)境中灰塵易進(jìn)入，風(fēng)扇所處的環(huán)境溫度較高，影響壽命。噪聲的測(cè)量與控制噪聲聲音的本質(zhì)是波動(dòng)人耳可感覺(jué)的聲波范圍是20Hz～20000Hz人體聽(tīng)覺(jué)對(duì)聲音信號(hào)強(qiáng)弱刺激反應(yīng)不是線性的，而是成對(duì)數(shù)比例關(guān)系一切無(wú)規(guī)律的或隨機(jī)的聲音，或是一切不希望存在的干擾聲都是噪聲聲壓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）聲壓級(jí)Lp：聲壓級(jí)（dB）p：聲壓（Pa）p0：基準(zhǔn)聲壓，

聲功率

單位時(shí)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(jí)

Lw：聲功率級(jí)（dB）

W：聲功率（W）

W0：基準(zhǔn)聲功率，2×10-12W

聲級(jí)的合成運(yùn)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(jí)Ln：第n個(gè)聲源所產(chǎn)生的聲級(jí)如LP1=LP2，即兩個(gè)聲源的聲壓級(jí)相等，則總聲壓級(jí)：聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的比較?聲壓級(jí)–表示聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的強(qiáng)度–隨距離衰減–在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量到的聲壓級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的聲壓級(jí)是不同的–可以用聲級(jí)計(jì)直接測(cè)量得到–單位：dB(A)?聲功率級(jí)–表示聲源的輻射強(qiáng)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(wú)關(guān)–聲功率級(jí)有利于不同廠家的產(chǎn)品的比較–無(wú)法直接測(cè)量，必須通過(guò)測(cè)量聲壓級(jí)或聲強(qiáng)級(jí)后計(jì)算得到–單位：Bels（＝10dB）?計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

–為了能用儀器直接反映人的主觀響度感覺(jué)的評(píng)價(jià)量，在噪聲測(cè)量?jī)x器——聲級(jí)計(jì)中設(shè)計(jì)了一種特殊濾波器，即計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲壓級(jí)，已不再是客觀物量的聲壓級(jí)，而是計(jì)權(quán)聲壓級(jí)或計(jì)權(quán)聲級(jí)，簡(jiǎn)稱聲級(jí)。

–通用的計(jì)權(quán)聲級(jí)有A、B、C、D、F

–在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是強(qiáng)或弱的噪聲，A計(jì)權(quán)聲級(jí)都能較好地反映人對(duì)噪聲吵鬧的主觀感覺(jué)。因此目前基本上都采用A聲級(jí)來(lái)作為噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

常見(jiàn)環(huán)境噪聲常見(jiàn)的噪音標(biāo)準(zhǔn)?ISO7779-1999——Acoustics-Measurementofairbornenoiseemittedbyinformationtechnologyandtelecommunicationsequipment（聲學(xué).信息技術(shù)設(shè)備和通信設(shè)備空氣噪聲的測(cè)量）?T1.TR.54-1997——RecommendedMethodsforMeasuringAcousticNoiseEmmission美國(guó)電信標(biāo)準(zhǔn)（T1）：測(cè)量聲學(xué)噪聲釋放的推薦方法?ISO6926-1999——Acoustics-Requirementsfortheperformanceandcalibrationofreferencesoundsourcesusedforthedeterminationofsoundpowerlevels聲學(xué).噪聲源聲功率級(jí)的測(cè)定所用標(biāo)準(zhǔn)聲源的性能要求與校準(zhǔn)?ISO10302-1996——Acoustics-Methodforthemeasurementofairbornenoiseemittedbysmallair-movingdevices聲學(xué).小型送風(fēng)設(shè)備的空氣噪聲測(cè)量方法噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)?ETSIETS300753Edition1：1997.10——EquipmentEngineering(EE);Acousticnoiseemittedbytelecommunicationsequipment歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)：設(shè)備工程；電信設(shè)備發(fā)出的音響噪聲?BELLCOREGR-63-CORE：NEBS（NetworkEquipment-BuildingSystem）Requirements:PhysicalProtection室內(nèi)設(shè)備噪聲限值?TelcordiaGR-487-CORE（Issue2,2000.3）：GenericRequirementsforElectronicEquipmentCabinets戶外設(shè)備噪聲限值噪聲控制一般產(chǎn)品的噪聲來(lái)源風(fēng)機(jī)噪聲?轉(zhuǎn)速與噪聲dB2?dB1=50lg(RPM2/RPM1)其中，RPM表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，dB表示噪聲值。?數(shù)量與噪聲

其中，是n個(gè)風(fēng)機(jī)總的聲級(jí)，是單個(gè)風(fēng)機(jī)的聲級(jí)?風(fēng)機(jī)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(dòng)引起的機(jī)械噪聲?常用的噪聲控制方法控制噪聲源?降低風(fēng)機(jī)噪聲：選用大口徑、低轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)調(diào)速?降低氣流再生噪聲：風(fēng)道優(yōu)化，減少結(jié)構(gòu)阻力?降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲：避免共振–控制噪聲傳播途徑?隔聲?吸聲?消聲–個(gè)人防護(hù)PCB板熱設(shè)計(jì)采用散熱PCB–印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱板–印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱條–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(jì)時(shí)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(dāng)，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)

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(jī)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。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(shí)，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。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），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。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。對(duì)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(dāng)提供的最小應(yīng)變量為2.54mm，如圖5-13a所示。大型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應(yīng)像圖5-13b、c那樣留有較大的應(yīng)變量。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?yàn)橐€的應(yīng)變量不夠，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)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5-14(b)～(e)所示。印制板導(dǎo)軌熱設(shè)計(jì)

印制板導(dǎo)軌起兩個(gè)作用：導(dǎo)向和導(dǎo)熱。作為導(dǎo)熱用時(shí)，應(yīng)保證導(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(jī)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。印制板的合理間距–對(duì)于依靠自然通風(fēng)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。–對(duì)于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時(shí)的表面溫升較水平放置時(shí)小。–豎直安裝的印制電路板，自然散熱時(shí)的最小間距應(yīng)為19mm，以防止自然流動(dòng)的收縮和阻塞。散熱器的選擇散熱器的選擇流程根據(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(qiáng)迫風(fēng)冷），確定是否加裝散熱器。一般地說(shuō)，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過(guò)0.08W/cm2，體積功率密度超過(guò)0.18W/cm3，須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。當(dāng)然，應(yīng)用上述這個(gè)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(gè)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。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(guò)計(jì)算，計(jì)算出散熱器的表面積。合理選用散熱器，降低散熱器熱阻右圖為安裝于散熱器上的功率器件等效熱路圖其中：——功率器件的內(nèi)熱阻，通常由器件的制造廠家提供。——器件殼體直接向周圍環(huán)境的換`熱熱阻，稱為器件的外熱阻；——器件與散熱器安裝面之間的接觸熱阻；——散熱器熱阻。由于遠(yuǎn)大于其它熱阻值，因此總熱阻計(jì)算式為：設(shè)計(jì)要求功率器件的結(jié)溫應(yīng)滿足：1.散熱器表面應(yīng)進(jìn)行氧化發(fā)黑處理,以增強(qiáng)輻射換熱效果。在自然對(duì)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（vaporchamber)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0.5mm～1mm，以增加對(duì)流換熱效果。5.應(yīng)保證鋁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(zhǎng)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(zhǎng)度；對(duì)于散熱器的流向長(zhǎng)度大于300mm，應(yīng)把散熱器的齒片從中間斷開(kāi)，以增加空氣擾動(dòng)，提高對(duì)流換熱效果。還要注意的幾點(diǎn)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(duì)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(qiáng)自然對(duì)流效果；對(duì)于強(qiáng)迫冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與風(fēng)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(dāng)增加接觸力。為避免使元器件受力，散熱器須有適當(dāng)?shù)墓潭ㄖ吸c(diǎn)。散熱器的加工工藝Stamped(沖壓件)Aluminumextrusions(鋁擠)Casting(鑄造)Bonded&swagedfin(插齒)Foldedfinassemblies(折疊齒)Skived(鏟削)Coldforged(冷鍛)Soldering(焊接)Stamped(沖壓件)Aluminumextrusions(鋁擠)Casting(鑄造)Bonded&swagedfin(插齒)TypicalBondedFinHeatSinkExtrudedBaseSheetmetalorExtrudedFinsMax.ratio~60:1Foldedfinassemblies(折疊齒)

Skived(鏟削)Soldering熱管簡(jiǎn)述熱管的構(gòu)成如下圖所示：主要包括三個(gè)部分：外殼、工作流質(zhì)和毛細(xì)吸液層。通常外殼材料為純銅；工作流質(zhì)為純凈水（對(duì)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(xì)層的不同，常見(jiàn)的熱管可分為纖維型、溝槽型、篩網(wǎng)型和燒結(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(diǎn)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(dá)30000W/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(dāng)溫度到達(dá)一定程度時(shí)，熱管的導(dǎo)熱率會(huì)急劇下降，造成失效。因此對(duì)于不同規(guī)格的熱管，都有一個(gè)最大傳輸功率。熱管應(yīng)用的場(chǎng)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(lái)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(jì)空間受到限制的情況下，大熱耗器件（芯片）的散熱問(wèn)題。熱管應(yīng)用的注意事項(xiàng)：熱管盡可能少打扁和折彎，必須折彎時(shí)，折彎半徑盡可能大；熱管與散熱器（肋片）的聯(lián)結(jié)，一般用焊接，盡可能不用過(guò)盈配合。焊接時(shí)，一般用低溫錫焊；當(dāng)熱管散熱器用在戶外產(chǎn)品中，直接暴露在空氣中時(shí)，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐扛蔡幚?。表各種類型熱管的優(yōu)、缺點(diǎn)管芯結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)篩網(wǎng)型制作成本低價(jià)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(xì)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(xì)力強(qiáng).打扁厚度受限成本較高受變形、沖擊易碎纖維型彎曲或扁平加工時(shí),仍能維持良好的毛細(xì)力液體單向回流，因此不易受音速、毛細(xì)等限制因構(gòu)造復(fù)雜,本體制造較不容易單價(jià)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：1、建立模型；2、賦予屬性；3、設(shè)置求解域和相應(yīng)的邊界條件；4、劃分網(wǎng)格；5、求解；6、結(jié)果分析。熱仿真分析熱仿真分析的目的通過(guò)建立合適的模型進(jìn)行熱分布和熱特性分析，預(yù)計(jì)各器件的工作溫度，包括環(huán)境溫度和熱點(diǎn)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(fèi)用降至最低，實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)。通過(guò)熱仿真實(shí)現(xiàn)合理的熱分布，選定最佳的熱設(shè)計(jì)方案或?qū)σ讯ǖ臒嵩O(shè)計(jì)方案做出評(píng)估，使熱設(shè)計(jì)最優(yōu)化，以提高可靠性。熱仿真分析范圍系統(tǒng)級(jí)分析著眼于機(jī)柜、插箱等整個(gè)系統(tǒng)，分析整個(gè)系統(tǒng)的流場(chǎng)、溫度分布情況；單板級(jí)分析給定單板的局部環(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(guò)孔等設(shè)計(jì)；芯片級(jí)分析建立芯片的詳細(xì)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?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(duì)流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,也可以模擬強(qiáng)迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等。?對(duì)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(chǎng)、和內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的定量分析。?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(gè)過(guò)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(cè)試的步驟1、測(cè)試方案的制定；2、測(cè)試環(huán)境的考慮；3、測(cè)試點(diǎn)的選擇；4、傳感器的安裝；5、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集；6、測(cè)試數(shù)據(jù)的分析。在熱測(cè)試中，還可以對(duì)各種方案進(jìn)行對(duì)比，以選擇較好的方案。熱測(cè)試的目的和方法熱測(cè)試的目的熱測(cè)試的目的是對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，除了檢查新設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)外，還要對(duì)機(jī)架、集中發(fā)熱元器件、整機(jī)系統(tǒng)的熱特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為熱設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。電子設(shè)備常用熱測(cè)試技術(shù)及設(shè)備溫度測(cè)量–