電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)基本知識

北京航空航天大學(xué)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)付桂翠熱設(shè)計(jì)基本知識熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)熱設(shè)計(jì)的方法熱分析熱試驗(yàn)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)熱對系統(tǒng)可靠性的影響熱設(shè)計(jì)的目的熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念熱控制的基本形式熱設(shè)計(jì)基本知識熱對系統(tǒng)可靠性的影響高溫對大多數(shù)元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，它導(dǎo)致元器件性能改變甚至失效，從而引起整個(gè)電子設(shè)備的故障。圖1元器件的失效率與溫度的關(guān)系熱對系統(tǒng)可靠性的影響元器件類別基本失效率，λb（10-6/h）

溫升△T（℃）高溫與室溫失效率之比高溫室溫PNP硅晶體管0.063（在130℃和應(yīng)力比0.3）0.0096（在25℃和應(yīng)力比0.3）1057:1NPN硅晶體管0.033（在130℃和應(yīng)力比0.3）0.0064（在25℃和應(yīng)力比0.3）1055:1玻璃電容器0.047（在120℃和應(yīng)力比0.5）0.001（在25℃和應(yīng)力比0.5）9547:1變壓器與線圈0.0267（在85℃）0.0008（在25℃）6033:1碳膜合成電阻器0.0065（在100℃和應(yīng)力比0.5）0.0003（在25℃和應(yīng)力比0.5）7522:1不同工作溫度部分元器件的基本失效率(摘自GJB/Z299B）熱對系統(tǒng)可靠性的影響

平均故障間隔時(shí)間（MTBF）是表征電子設(shè)備可靠性的一個(gè)主要參數(shù)，當(dāng)電子設(shè)備壽命呈指數(shù)分布時(shí)，其平均故障間隔時(shí)間：

該式中：以金屬膜電阻器為例：金屬膜電阻器的工作失效率計(jì)算公式如下：熱對系統(tǒng)可靠性的影響據(jù)統(tǒng)計(jì)（1）電子設(shè)備的失效原因中有55％是由于溫度過高引起的。（2）電子元器件溫度每升高10℃，其可靠性下降一倍。摘自美空軍整體計(jì)劃分析報(bào)告熱量產(chǎn)生的原因電子設(shè)備經(jīng)受的熱應(yīng)力來源于以下幾個(gè)方面：（1）工作過程中，功率元件耗散的熱量。（2）電子設(shè)備周圍的工作環(huán)境，通過導(dǎo)熱、對流和輻射的形式，將熱量傳遞給電子設(shè)備。（3）電子設(shè)備與大氣環(huán)境產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，各種摩擦引起的增溫。

熱設(shè)計(jì)的目的電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)系指利用熱傳遞特性對電子設(shè)備的耗熱元件以及整機(jī)或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以對它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正常、可靠地工作。熱傳遞的方式：傳導(dǎo)、對流、輻射。一般來說，這三種形式在電子系統(tǒng)的熱傳輸中所占的比例分別為60％、20％、20％。熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念（1）熱設(shè)計(jì)

利用熱傳遞特性通過冷卻裝置控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備內(nèi)所處的工作環(huán)境條件下，不超過規(guī)定的最高允許溫度的設(shè)計(jì)技術(shù)。（2）熱評估：評估電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是否合理的方法和手段。（3）熱分析又稱熱模擬，是利用數(shù)學(xué)的手段，通過計(jì)算機(jī)模擬，在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員和可靠性設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進(jìn)其設(shè)計(jì)，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性及可靠性提供有力保障。（4）熱試驗(yàn)：將電子設(shè)備置于模擬的熱環(huán)境中，測量其溫度或溫度分布。熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念（5）熱流密度單位面積的熱流量。（6）體積功率密度單位體積的熱流量。（7）熱阻熱量在熱流路徑上遇到的阻力（內(nèi)熱阻、外熱阻、系統(tǒng)熱阻）。溫差越大，熱流量就越大?！鱐＝RQ熱阻的單位是℃/W。熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念內(nèi)熱阻：產(chǎn)生熱量的點(diǎn)或區(qū)域與器件表面指定點(diǎn)（安裝表面）之間的熱阻。晶體管和微電路的內(nèi)熱阻是指結(jié)到外殼間的熱阻θjc。外熱阻：器件上任意參考點(diǎn)（安裝表面）與換熱器間，或與設(shè)備、冷卻流體或環(huán)境交界面之間的整個(gè)熱阻。系統(tǒng)熱阻：設(shè)備外表面與周圍空間或換熱器與冷卻流體間的熱阻。熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念接觸熱阻：當(dāng)熱通過兩個(gè)接觸表面的交界面時(shí)，出現(xiàn)一種導(dǎo)熱的特殊情形。在接觸面上有很大的溫差。接觸表面之間的交界面是效率很低的傳熱通路降低接觸熱阻的有效方法：接觸面積大；表面平滑；接觸材料軟；接觸壓力大；接觸壓力均勻；在交界面上有導(dǎo)熱填充劑。（8）熱阻網(wǎng)絡(luò)熱阻的串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)形成的熱流路徑圖。（9）功耗

電子設(shè)備工作時(shí)需要電功率，因?yàn)樵骷⒎峭耆行В蚨胁簧俟β兽D(zhuǎn)換成熱。如果找不到一條通路來散熱，溫度就會升高。最重要的熱流量是功耗。（10）冷板利用單相流體強(qiáng)迫流動(dòng)帶走熱量的一種換熱器。（11）熱沉是一個(gè)無限大的熱容器，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙等。又稱熱地。也稱“最終散熱器”。HeatSink熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念對流：固體表面與流體表面?zhèn)鳠岬闹饕绞健Ｗ匀粚α鳎毫黧w的運(yùn)動(dòng)是由于流體密度差和溫度梯度引起的。在自然對流傳熱中，上部較冷流體與底部較熱流體間的密度差引起流體溫升強(qiáng)迫對流：流體的運(yùn)動(dòng)是由外力（如風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇或泵）造成的。強(qiáng)迫對流熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念

壓降：當(dāng)流體流經(jīng)固體物質(zhì)或物體在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，摩擦、流動(dòng)面積的限制或方向的突變會阻止這種流動(dòng)。結(jié)果產(chǎn)生壓力損失或壓力下降。需要用風(fēng)機(jī)或泵來克服這種壓降。流速越高，表面越不規(guī)則，則壓降越大。在強(qiáng)迫對流系統(tǒng)中，冷卻劑流動(dòng)通路的幾何形狀及系統(tǒng)壓降是重要的問題。熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念熱設(shè)計(jì)的有關(guān)概念輻射：是真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。例如接近火爐坐能感到熱。熱路與電路

R=U/IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t/qThermalSink

(environment)Rt=t/Q熱阻與熱流量和溫度的關(guān)系

降低熱耗

器件的熱耗一般受器件廠工藝水平的制約

VLSI的總熱耗一般低于NPN器件的熱耗，但從熱流密度的角度看，不可一概而論?？刂浦車h(huán)境向器件的熱量傳遞。從結(jié)構(gòu)措施上減小動(dòng)力增溫（如摩擦熱的傳輸?shù)龋?/p>

內(nèi)熱阻—通常指芯片級的冷卻技術(shù)，是今后VLSI的發(fā)展方向。外熱阻—指傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)，如風(fēng)冷、液冷、相變冷卻，熱管傳熱等。Rt=t/Q熱設(shè)計(jì)基本考慮內(nèi)熱阻的控制

多芯片模塊（multichip-module）

微熱管(micro-heatpipe)傳熱

內(nèi)熱阻：芯片的PN結(jié)封裝殼體(導(dǎo)熱、對流)也稱“芯片組導(dǎo)熱模塊”，通過導(dǎo)熱、輻射將熱量傳至封裝表面，再進(jìn)行冷卻。特點(diǎn)：尺寸小、重量輕、信號處理速度快、延遲時(shí)間小。

微通道散熱器（級通道，冷卻劑可直接通過）外熱阻的控制

（1）散熱技術(shù)肋片式散熱器,強(qiáng)迫空氣冷卻,液體冷卻,相變冷卻(沸騰、蒸發(fā)、升華)（2）制冷技術(shù)溫差電制冷,液氮制冷,壓縮制冷，相變制冷（3）恒溫技術(shù)隔熱材料保溫,可控式恒溫，關(guān)鍵技術(shù)是溫度的控制（4）熱管傳熱

熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)－傳熱學(xué)

傳熱的基本方式有三種：傳導(dǎo)、對流和輻射、一般來說，這三種形式在電子系統(tǒng)的熱傳輸中分別占60%，20%和20%。導(dǎo)熱

因物質(zhì)的原子和分子之間的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的從高能級→低能級的一種能量傳輸過程。簡單地說：導(dǎo)熱的產(chǎn)生必需具備二個(gè)條件：和相互接觸。

=－k?A?t/n(w)q=－k?t/n(w/m2)導(dǎo)熱的基本定律：Fourier定律K—材料的導(dǎo)熱系數(shù)W/m?oC

材料種類、溫濕度、結(jié)構(gòu)形式、密度、比熱等。

材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)(20℃)W/(m·℃)

密度(20℃)kg/m3比熱(20℃)J/(kg·℃)鋁2042707921金29219272126銅3308939385鐵737898452銀41910524234尼龍0.17~0.411211075環(huán)氧樹脂0.41041不同材料的導(dǎo)熱特性Diamond1600~2300表面狀況接觸熱阻×104(m2k/w)金屬與金屬干接觸高3.55中2.58低0.90涂硅脂高2.32中1.29低0.48導(dǎo)熱襯墊高1.10中0.65低0.32墊銦片（厚0.005mm)干接觸高0.58中0.45低0.32接觸熱阻實(shí)例對流換熱定義：流動(dòng)的流體與其相接觸的物體（固體、流體、汽體），由于溫差的原因所產(chǎn)生的能量與熱量的傳遞過程。①靠自然力——密度差引起。（與的強(qiáng)度、流體的性質(zhì)、空間、大小、壁面的大小等因素有關(guān)。）②受強(qiáng)制力（如風(fēng)機(jī)、泵）推動(dòng)而引起的流動(dòng)。（推力的大小、（壓差）、流體的性質(zhì)、流道的尺寸大小等阻力因素有關(guān)。）流體的流動(dòng)特征自然對流natural強(qiáng)迫對流forced對流方式層流laminar紊流turbulent流動(dòng)狀態(tài)層流：流線有規(guī)則，大都發(fā)生在貼近

壁面附近的流層。

（導(dǎo)熱產(chǎn)生的換熱為主）

紊流：層流底層以外（邊界層以外）

所發(fā)生的流體不規(guī)則流動(dòng)。對流換熱的基本定律對流換熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍過程h/[W(m2k)]自然對流空氣水1～10200～1000強(qiáng)迫對流氣體高壓水蒸氣水20～100500～35001000～15000水的相變換熱沸騰蒸汽凝結(jié)2500～35005000－25000輻射換熱基本特征輻射換熱的基本定律黑體輻射力計(jì)算公式：熱設(shè)計(jì)方法

電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)應(yīng)首先根據(jù)設(shè)備的可靠性指標(biāo)及設(shè)備所處的環(huán)境條件確定熱設(shè)計(jì)目標(biāo)，熱設(shè)計(jì)目標(biāo)一般為設(shè)備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、體積、重量等要求進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。常見的熱設(shè)計(jì)流程見圖所示。熱設(shè)計(jì)流程熱設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

熱設(shè)計(jì)目標(biāo)通常根據(jù)設(shè)備的可靠性指標(biāo)與設(shè)備的工作環(huán)境條件來確定，已知設(shè)備的可靠性指標(biāo)，依據(jù)GJB/299B－1998《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》中元器件失效率與工作溫度之間的關(guān)系，可以計(jì)算出元器件允許的最高工作溫度，此溫度即為熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。工程上為簡便計(jì)算，通常采用元器件經(jīng)降額設(shè)計(jì)后允許的最高溫度值做為熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。熱設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)確定熱設(shè)計(jì)目標(biāo)施加在電子元器件上的電應(yīng)力熱應(yīng)力大小直接影響電子元器件的基本失效率。b=Aexp{NT/[273+T+(△T)S]}exp{[273+T+(△T)S]/TM}P式中∶A—失效率換算系數(shù)；NT、P—器件中的形狀參數(shù)；T—工作溫度(環(huán)境或殼溫)，℃；△T—TM與額定功率點(diǎn)最高允許溫度之差，℃；S—應(yīng)力比或降額因子。熱設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定

工程上為簡便計(jì)算，通常采用元器件經(jīng)降額設(shè)計(jì)后允許的最高溫度值做為熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。降額參數(shù)降額等級ⅠⅡⅢ頻率0.800.900.90輸出電流0.800.900.90最高結(jié)溫℃85100115雙極型數(shù)字電路降額準(zhǔn)則常用冷卻方法的選擇和設(shè)計(jì)要求

電子設(shè)備的冷卻方法包括自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、強(qiáng)迫液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電致冷(半導(dǎo)體致冷)、熱管傳熱和其它冷卻方法（如導(dǎo)熱模塊、冷板技術(shù)等）。其中自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、強(qiáng)迫液體冷卻和蒸發(fā)冷卻是常用的冷卻方法。

冷卻方法熱流密度（W/cm2）自然對流0.08強(qiáng)迫風(fēng)冷0.3空氣冷卻板1.6液體對流冷卻0.5液體冷卻板160蒸發(fā)冷卻770常用冷卻方法的熱流密度常用冷卻方法的體積功率密度常用冷卻方法的優(yōu)選順序：自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻

冷卻方法的選擇示例

功耗為300W的電子組件，擬將其安裝在一個(gè)248mm×381mm×432mm的機(jī)柜里，放在正常室溫的空氣中，是否需要對此機(jī)柜進(jìn)行特殊的冷卻措施？是否可以把此機(jī)柜設(shè)計(jì)得再小一些？首先計(jì)算該機(jī)柜的體積功率密度和熱流密度。體積功率密度：熱流密度：

由于體積功率密度很小，而熱流密度值與自然空氣冷卻的最大熱流密度比較接近，所以不需要采取特殊的冷卻方法，而依靠空氣自然對流冷卻就足夠了。若采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，熱流密度為3000W/m2，因此，采用風(fēng)冷時(shí)，可以把機(jī)柜表面積減小到0.1m2(自然冷卻所需的表面積為0.75m2)。冷卻方法的選擇示例影響自然對流冷卻的因素：印制板的間距電