電子產(chǎn)品熱設(shè)計與工程案例

電子產(chǎn)品熱設(shè)計與工程案例分析第一部分熱設(shè)計的理論基礎(chǔ)第一部分熱設(shè)計的理論基礎(chǔ)1.1、準(zhǔn)確認識熱設(shè)計1.2、熱源與熱阻1.3、熱量傳遞的基本方式與有關(guān)定律1.4、熱控制方法的選擇1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)計模塊功率逐年增長趨勢芯片級的熱流密度高達300W／cm2數(shù)量級，甚至已經(jīng)達到1000

W／cm2數(shù)量級其結(jié)溫要求低于100°C太陽表面熱流密度10000W／cm2數(shù)量級其表面溫度可達6000°C一、電子裝備面臨的熱設(shè)計挑戰(zhàn)1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的三大問題之一——（強度與振動、散熱、電磁兼容）1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)計（1）熱設(shè)計目標(biāo)、內(nèi)容與工具熱設(shè)計的目標(biāo)熱設(shè)計目標(biāo)應(yīng)首先根據(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，熱設(shè)計目標(biāo)一般為設(shè)備內(nèi)部元器件允許的最高溫度。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)計手冊》中元器件失效率與工作溫度之間的關(guān)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(shè)計目標(biāo)。工程上為簡便計算，通常采用元器件經(jīng)降額設(shè)計后允許的最高溫度值做為熱設(shè)計目標(biāo)。2、熱設(shè)計內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法、設(shè)計過程1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)計熱設(shè)計內(nèi)容定義1——“根據(jù)熱設(shè)計目標(biāo)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、體積、重量等要求進行熱設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計和機箱散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。定義2——為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境及低熱阻散熱通道，保證他們能按預(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計和冷卻技術(shù)，對其溫升進行控制，保證其正常、可靠工作。1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)計熱設(shè)計分科界定（1）熱設(shè)計（熱結(jié)構(gòu)）

在所處環(huán)境下，合理設(shè)計熱傳遞結(jié)構(gòu)、冷卻方法，保障設(shè)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(shè)計階段獲得溫度分布，預(yù)先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改進其設(shè)計。（3）熱評估

評估熱設(shè)計是否合理的方法和手段。（4）熱試驗

將設(shè)備置于實際（或模擬）熱環(huán)境中，測量其溫度或溫度分布1.1準(zhǔn)確認識熱設(shè)計熱設(shè)計理論工具熱量傳遞的基本理論、經(jīng)驗公式結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗方法計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)（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(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，東南大學(xué)余建祖，電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)，北航出版社王健石，電子設(shè)備熱設(shè)計速查手冊，電子工業(yè)出版社劉靜，液體金屬導(dǎo)熱材料

（2）熱設(shè)計的實施過程1.2熱源與熱阻電子設(shè)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(shè)備工作環(huán)境——通過導(dǎo)熱、對流、輻射形式，與電子設(shè)備進行熱量傳遞自身與環(huán)境作用——設(shè)備與大氣相對運動，摩擦增溫?zé)崃咳ヌ帲簾岢粒ōh(huán)境）熱設(shè)計原則：熱源至最終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(shè)備的外熱阻。1.2熱源與熱阻熱阻定義：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(shè)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(dǎo)熱管的控溫特性以及熱電效應(yīng)，使設(shè)備工作溫度嚴(yán)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(shè)備的危害。1.3熱量傳遞的基本方式和有關(guān)定律一、熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱、對流、輻射二、導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）傅立葉導(dǎo)熱定律：定義熱流密度：

對傅立葉定律在一維導(dǎo)熱條件下積分，可得：

由此可得導(dǎo)熱熱阻計算公式為：

A為垂直于熱流方向的截面積；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·K)，它是表征材料導(dǎo)熱能力優(yōu)劣的物性參數(shù)。導(dǎo)熱問題的熱電比擬關(guān)系：三、對流換熱牛頓冷卻公式：由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：⑴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(zhǔn)則方程自然對流強迫對流

其中α為對流換熱系數(shù)，單位W/(m2·K)，表征了換熱表面的平均對流換熱能力。幾個準(zhǔn)則數(shù)的計算公式及物理意義：努塞爾數(shù)：雷諾數(shù)：普朗特數(shù)：格拉曉夫數(shù)：

L——特征尺寸，m；

u——流體速度，m/s；

cp——比熱容，kJ/(kg·K)；

μ——動力粘度，Pa·s；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

αV——體膨脹系數(shù)，℃－1；

g——重力加速度，m/s2；

ΔT——流體與壁面的溫差。用準(zhǔn)則方程求出Nu后，即可求出對流換熱系數(shù)：四、輻射換熱式中：ε——物體的表面黑度（表面輻射率）；

σ0

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——輻射表面積，m2；

T——物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

減小輻射熱阻的措施1.表面輻射率要高；2.輻射體與吸收體之間要無障礙；3.輻射面積要大。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：專題熱阻分析法(熱電模擬)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，熱導(dǎo)模擬為電導(dǎo)；對于瞬態(tài)傳熱問題，可以把熱容（cpqm）模擬為電容。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導(dǎo)熱。二、熱電模擬網(wǎng)絡(luò)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?zé)嵩吹刃в诶硐氲暮銐涸础：愣ǖ臒崃髟吹刃槔硐氲碾娏髟?。?dǎo)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“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(luò)。三、傳熱路徑從實際傳熱觀點而言，熱設(shè)計時應(yīng)利用中間散熱器，它們一般屬于設(shè)備的一部分，通常為設(shè)備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)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“熱沉”，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當(dāng)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(shè)備所處的環(huán)境。四、熱阻的確定確定熱阻的步驟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b.確定設(shè)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d.確定每個元器件冷卻時所需的熱阻熱阻的計算a.導(dǎo)熱熱阻和對流熱阻的計算式參見前面內(nèi)容b.輻射換熱網(wǎng)絡(luò)法任意兩表面間的輻射網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：圖中Eb1和Eb2分別代表同溫度下的表面1和表面2的黑體輻射力；J1和J2分別為表面1和表面2的有效輻射。應(yīng)用例：芯片封裝熱阻的電網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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1.4熱控制方法的選擇冷卻方法可以根據(jù)熱流密度和溫升要求，按右圖關(guān)系進行選擇。這種方法適用于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻由右圖可知，當(dāng)元件表面與環(huán)境之間的允許溫差ΔT為60℃時，空氣的自然對流（包括輻射）僅對熱流密度低于0.05W/cm2時有效。強迫風(fēng)冷可使表面對流換熱系數(shù)大約提高一個數(shù)量級，如在允許溫差為100℃時，風(fēng)冷最大可能提供1W/cm2的傳熱能力。第二部分以空氣為介質(zhì)的冷卻2.1、空冷首先應(yīng)當(dāng)重視對流2.2、空冷中的傳導(dǎo)2.3、風(fēng)冷中的風(fēng)道設(shè)計與風(fēng)機選用2.1、空冷首先應(yīng)當(dāng)重視對流一、空冷對流設(shè)計一般原則1）器件、印制板的排布原則風(fēng)冷將耐熱性能好的放在冷卻氣流的下游，耐熱性能差的應(yīng)放在冷卻氣流的上游。發(fā)熱區(qū)的中心線，應(yīng)與入風(fēng)口的中心線相一致或略低于入風(fēng)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。當(dāng)風(fēng)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(yīng)控制在13mm左右器件盡量交錯方式排列，以增強紊流。必要時可在空位增設(shè)紊流器。自冷溫度分區(qū)（與風(fēng)冷同）

按耐熱程度分區(qū)：耐熱性差的放氣流上游，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。自冷印制板的間距應(yīng)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(yīng)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。有利紊流

電子元器件安裝的方位應(yīng)符合氣流的流動特性及有利于提高氣流的紊流程度。2）熱設(shè)計的檢查自然冷卻是否使用最短的熱流通路？是否利用金屬作為導(dǎo)熱通路？電子元器件是否采用垂直安裝和交錯排列？對熱敏感的元器件是否與熱源隔離，當(dāng)二者距離小于50mm時，是否采用熱屏蔽罩？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(shè)置良好的導(dǎo)熱通路？熱源表面的黑度是否足夠大？是否有供通風(fēng)的百葉窗口？對于密閉式熱源，是否提供良好的導(dǎo)熱通路？強迫空氣冷卻流向發(fā)熱元器件的空氣是否經(jīng)過冷卻過濾？是否利用順流氣流來對發(fā)熱元器件進行冷卻？氣流通道大小是否適當(dāng)？是否暢通無阻？風(fēng)機的容量是否適當(dāng)？抽風(fēng)機或鼓風(fēng)機是否選擇恰當(dāng)？風(fēng)機電動機是否得到冷卻？對風(fēng)機故障是否采用防護措施？空氣過濾器是否適當(dāng)？是否易于清洗和更換？是否已對設(shè)備或系統(tǒng)中的氣流分布進行過測量？關(guān)鍵的功率器件是否有適當(dāng)?shù)臍饬髁鬟^？是否測量過功率器件的臨界溫度？是否測量過風(fēng)機的噪聲？易損壞的散熱片是否有保護措施？在機載電子設(shè)備中，是否具有防水措施？1）自冷——合理開設(shè)通風(fēng)孔通風(fēng)孔散熱的熱量計算公式：H——自然冷卻設(shè)備的高度（或進、出風(fēng)孔的中心距）（cm）;A0——進風(fēng)孔或出風(fēng)孔的面積（取較小值）（cm2）——設(shè)備內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差（℃）。二、盡量增大對流效果開設(shè)通風(fēng)孔的基本原則：開設(shè)通風(fēng)孔要有利于形成有效的自然對流通道進風(fēng)孔與出風(fēng)孔要遠離，并且要防止氣流短路，應(yīng)開在溫度差較大的相應(yīng)位置，進風(fēng)孔盡量低，出風(fēng)孔要盡量高進風(fēng)孔對準(zhǔn)關(guān)鍵元件進出風(fēng)孔要兼顧電磁屏蔽、防塵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(zhǔn)則方程hc——自然對流換熱系數(shù)（W/(m2.℃)）k——冷卻流體的導(dǎo)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）自然對流換熱計算方法2——物理參數(shù)簡化方程式中，φ——熱流密度（W/m2）Φ——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；Δt——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(shè)備）空氣物性參數(shù)20—200℃，變化±6%內(nèi)（以控制誤差）自然對流換熱計算方法3——列線圖步驟：根據(jù)設(shè)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(biāo)尺，在無刻度的X標(biāo)尺上得到一個交點；再連接X上的交點和Δt標(biāo)尺上的Δt值點，在Φ/A標(biāo)尺上得到Φ/A值，反之，若已知Φ和A值，也可以求得Δt值。舉例:一個電子設(shè)備處于環(huán)境溫度為35℃的空氣中，其表面溫度為85℃，設(shè)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？①根據(jù)前表確定C值，熱面朝上的散熱平面，C=0.54;②?t=85℃-35℃=50℃；③連接右圖中D標(biāo)尺上的0.2m和C標(biāo)尺上的0.54在X標(biāo)尺上得交點X0;④連接X0與?t尺上的50℃點，在Φ/A標(biāo)尺上得交點為270，即⑤計算頂面散熱量2.2、空冷中的傳導(dǎo)1、導(dǎo)熱熱阻（傳導(dǎo)熱阻）1.縮短路徑2.增大面積3.提高導(dǎo)熱系數(shù)減小導(dǎo)熱熱阻的方法式中：δ——平壁厚度，m； λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/mk

；

A——垂直于熱流方向的橫截面面積，m2

；2、接觸熱阻在多層壁導(dǎo)熱計算時，都是假設(shè)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(dǎo)熱熱阻和間隙中的介質(zhì)導(dǎo)熱熱阻組成假設(shè)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δ，兩接觸表面的不規(guī)則高度為δ/2,則通過接觸界面的熱流量由兩部分組成t1,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(dǎo)熱系數(shù)kf——間隙中介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)kc——接觸傳熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)。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3、收縮熱阻熱收縮效應(yīng)——在一個恒熱源下的導(dǎo)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(dǎo)熱介質(zhì)表面上的溫度；

——收縮效應(yīng)溫升，只取決于材料傳導(dǎo)系數(shù)與幾何參數(shù)收縮熱阻求法：先求按照”熱歐姆定律公式”得收縮熱阻離散熱源的收縮效應(yīng)熱收縮效應(yīng)溫升公式無限大的導(dǎo)熱介質(zhì)上的圓形熱源，介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為k，熱源半徑為r1有限大的導(dǎo)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(dǎo)熱介質(zhì)，其?t有不同的計算公式長窄條熱源在有限導(dǎo)熱介質(zhì)上：短而窄的熱源在有效導(dǎo)熱介質(zhì)上：其中熱收縮效應(yīng)實際應(yīng)用芯片組件金屬導(dǎo)熱模塊從芯片結(jié)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(dǎo)體芯片結(jié)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的溫度所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：半導(dǎo)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(dǎo)熱、對流和輻射影響。分析前做如下簡化假設(shè)：忽略空氣隙的導(dǎo)熱和輻射；用鋁基板面積作為計算準(zhǔn)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“熱擴散”類似于上述的收縮效應(yīng)。具有收縮效應(yīng)的等效熱路圖如右圖。各層的導(dǎo)熱熱阻可用下式計算由右邊①~⑥項，可以計算鋁基板的表面溫度t1其中Φ是芯片A、B、C、D的功耗，當(dāng)Φ=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?，F(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，則計算芯片A的表面溫度2.3、風(fēng)冷中的風(fēng)道設(shè)計與風(fēng)機選用（一）風(fēng)道設(shè)計——風(fēng)冷的潛力在于風(fēng)道1、風(fēng)道的基本設(shè)計原則為降低阻力損失——盡量短；避免急彎；避免驟然擴展/收縮；內(nèi)表面盡量光滑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6/1為密封——所有搭接臺階都應(yīng)順著流動方向進風(fēng)口結(jié)構(gòu)應(yīng)降低阻力，且要起到濾塵作用風(fēng)道的入口應(yīng)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(fēng)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2、機箱級風(fēng)道（主要潛力）具有平行風(fēng)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(fēng)道截面不增加，則必須增加冷卻空氣的氣流。右圖結(jié)構(gòu)，上下風(fēng)道的截面不變而且相等時，流體流至下風(fēng)道叉口處膨脹，使壓力上升，而且可能使下風(fēng)口叉口處的壓力大于上風(fēng)道叉口處的壓力，將導(dǎo)致氣流回流。有可能出現(xiàn)下風(fēng)道叉口處的壓力大于上風(fēng)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(fēng)道結(jié)構(gòu)形式不好為防止氣流回流，進風(fēng)道截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積總和采用錐形風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式，可以使風(fēng)道中任意一點的截面積大于支風(fēng)道的截面積專項典型風(fēng)道自然散熱機箱典型風(fēng)道風(fēng)道一.1/2U機箱平放自然散熱風(fēng)道，機箱出風(fēng)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(shè)備，需要與風(fēng)道隔離，避免熱空氣對機箱的影響；另外，除進、出風(fēng)口外，其他部分需要完全密封。風(fēng)道二.1/2U機箱平放自然散熱風(fēng)道,機箱進出風(fēng)口都在機箱兩側(cè)，內(nèi)部流場混亂，不利自然散熱煙囪效應(yīng)，適合較小熱功率設(shè)備機箱；模塊或者插卡自然冷卻、必須為平放，機箱兩側(cè)盡量遠離高功率發(fā)熱器設(shè)備，另外，除進、出風(fēng)口外，其他部分需要完全密封。風(fēng)道三，5U以上高度自然散熱機箱，機箱出風(fēng)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(fēng)道。強迫風(fēng)冷散熱機箱典型風(fēng)道風(fēng)道一，鼓風(fēng)風(fēng)道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側(cè)進出風(fēng)，機箱風(fēng)扇正吹插卡，靠近風(fēng)扇的區(qū)域換熱效果最佳，由于風(fēng)道必然存在漏風(fēng)，而且右端區(qū)域風(fēng)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(fēng)道二，抽風(fēng)風(fēng)道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側(cè)進出風(fēng)，機箱左側(cè)進風(fēng)，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。風(fēng)道三，典型的機箱通風(fēng)風(fēng)道，采用風(fēng)扇抽風(fēng)，進風(fēng)口在機箱下方，國外和主流廠商都采用這種風(fēng)道，但對風(fēng)扇的要求采用高風(fēng)量，高風(fēng)壓，低噪聲。風(fēng)道四，典型的機箱通風(fēng)風(fēng)道，鼓風(fēng)的換熱強度比抽風(fēng)時高，但送風(fēng)不均勻，在風(fēng)扇中心和風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇的進風(fēng)口距離底板較近，會產(chǎn)生較大噪聲，進風(fēng)受障礙，所以盡量增加距離。風(fēng)道五，采用離心風(fēng)扇抽風(fēng)，向后排出，進風(fēng)口在機箱前下方，該風(fēng)道對離心風(fēng)扇的性能要求高，需要采用風(fēng)量大，風(fēng)壓大，噪聲小。風(fēng)道六，風(fēng)道六中如果沒有合適的離心風(fēng)扇可選，可以采用軸流風(fēng)扇豎放代替，但風(fēng)扇模塊將占用較大空間高度；如果機箱高度有限制，可將風(fēng)扇平放，但風(fēng)扇出風(fēng)口上方還是得留一定出風(fēng)空間，至少40mm。通風(fēng)機可分為離心式（下圖(a)）和軸流式下圖(b)兩類。風(fēng)機（二）、風(fēng)機的選用及其配合結(jié)構(gòu)軸流式風(fēng)機的特點是風(fēng)量大、風(fēng)壓小。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為螺旋槳式、圓筒式和導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備的冷卻。離心式風(fēng)機的特點是風(fēng)壓較高，一般用于阻力較大發(fā)熱元器件或機柜的冷卻。(1)通風(fēng)機的特性曲線——通風(fēng)機在固定轉(zhuǎn)速下工作時，其壓力、效率、功率隨風(fēng)量（橫坐標(biāo)）變化的關(guān)系不與風(fēng)道連接時，靜壓為零，風(fēng)量最大；出口被堵住時，風(fēng)量為零，靜壓最高；中間一點效率最高，應(yīng)在其附近工作。前彎式離心機效率最高時，總壓力最大。1、風(fēng)機的風(fēng)道匹配選用法前彎式通風(fēng)機特性離心式風(fēng)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(fēng)量大，其缺點是功率曲線上升陡峭，當(dāng)壓力減低時，風(fēng)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(fēng)量的增加，功率反而減小，不易過載。軸流式風(fēng)機的特性曲線其特點是風(fēng)壓曲線很陡斜，所以當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻較大時，若使用軸流風(fēng)機，風(fēng)量就很小，如圖a，一旦風(fēng)量為零，功率達到最大，如圖c.（2）風(fēng)道特性曲線由此可見，所需的壓降、總壓力均與風(fēng)量的平方成正比，即將上述關(guān)系式用曲線表示，即風(fēng)道的特性曲線，圖中1,2,3三條曲線分別代表三個風(fēng)道的特性曲線。風(fēng)機的總壓力用來克服通風(fēng)管道的阻力，并在出口處造成一定的速度頭，即風(fēng)機風(fēng)道參數(shù)匹配設(shè)計通風(fēng)機工作點——風(fēng)道特性曲線與通風(fēng)機特性曲線的交點。設(shè)計思路;1、額定風(fēng)量——由換熱計算得出2、風(fēng)道特性曲線——通過計算或查手冊得出3、風(fēng)機特性曲線（即選風(fēng)機）——與風(fēng)道特性曲線交點匹配選擇，要達到（1）交點滿足額定風(fēng)量（2）額定風(fēng)量盡可能達到效率最高(對應(yīng)總壓最大)2、風(fēng)機與風(fēng)道間的結(jié)構(gòu)關(guān)系（1）引風(fēng)段位置關(guān)系進風(fēng)要有引風(fēng)段。葉片不同位置的速度分布葉片應(yīng)安裝在通風(fēng)道的下游，這時風(fēng)道較長，氣流速度分布可以得到改善。如風(fēng)道90°的彎曲處，葉片應(yīng)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(fēng)冷卻的效果。（2）整機抽風(fēng)冷卻和鼓風(fēng)冷卻抽風(fēng)冷卻特點——風(fēng)量均勻，風(fēng)壓小，負壓，難以控制灰塵；不計風(fēng)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(fēng)阻較小的情況鼓風(fēng)冷卻特點——風(fēng)量集中，風(fēng)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。通常用在單元內(nèi)熱量分布不均勻，各單元需要專門風(fēng)道冷卻，風(fēng)阻較大，元件較多情況下。（3）降低漏風(fēng)當(dāng)有縫隙存在時，抽風(fēng)形式的冷卻效果比鼓風(fēng)形式好。大型機柜在強迫通風(fēng)時，機柜縫隙的漏風(fēng)將直接影響散熱效果機柜四周密封不漏風(fēng)時，風(fēng)機的位置對通風(fēng)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(fēng)量基本相同，圖a機柜四側(cè)存在縫隙，當(dāng)通風(fēng)機安裝在出口處抽風(fēng)時，外界空氣從縫隙進入機柜，風(fēng)量從入口到出口是逐漸增加的，圖b當(dāng)通風(fēng)機裝在入口處鼓風(fēng)時，機柜內(nèi)靜壓較高，氣流將從縫隙漏出，風(fēng)量沿機柜方向逐漸減少，圖c采用串聯(lián)通風(fēng)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(fēng)量分布如圖d3.風(fēng)機之間的關(guān)系第三部分熱設(shè)計案例第三部分熱設(shè)計案例一、微納衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設(shè)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、ZTEEDFA模塊熱分析案例一某型微納衛(wèi)星熱控系統(tǒng)設(shè)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)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(dǎo)主要通過傳導(dǎo)和輻射進行。衛(wèi)星熱控設(shè)計的目的是通過合理的熱設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)和實施工藝，遵循各項熱控規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，力求簡單、可靠；整星熱設(shè)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?，力求實現(xiàn)最佳熱耦合機制；星內(nèi)一般一起設(shè)備的溫度范圍設(shè)計余量為±10℃。熱控措施：綜合考慮衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、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ε≥0.8；模塊和載荷艙身內(nèi)表面ε≥0.5；模塊盒內(nèi)各電路板與其安裝面之間填充導(dǎo)熱材料或?qū)嶂晃挥谛峭獾拇艔娪?、GPS天線等的外表面噴涂有機灰漆或有機黑漆，α/ε=0.85/0.8軟件IDEASTMG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95o、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。穩(wěn)態(tài)情況下，衛(wèi)星各部分溫度如下表所示下圖分別是衛(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(jié)果可以看出，所采取的熱設(shè)計方案滿足了衛(wèi)星總體提出的要求，艙內(nèi)一般儀器設(shè)備的溫度為-10℃~+45℃，艙外儀器設(shè)備溫度為-80℃~+80℃案例二：某3G移動基站的熱仿真及優(yōu)化1、實際模型a、方案一（頂部抽風(fēng)方案）該移動基站采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機柜，共有20個PCB插板板位。該方案結(jié)構(gòu)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(fēng)口高度為1U，頂部出風(fēng)口高度為2U。采用EBM公司的離心式風(fēng)機兩個，安放在機柜頂部。b、方案二（底部吹風(fēng)方案）該方案結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。機柜總高度10U。其中底部進風(fēng)口高度為2U，頂部出風(fēng)口高度為1U。采用EBM公司的軸流式風(fēng)機六個，安放在機柜底部。c、方案三（軸流風(fēng)機頂部抽風(fēng)方案）該方案結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。其中頂部出風(fēng)口高度為2U，底部進風(fēng)口高度為1U。其它尺寸同方案二采用EBM公司的軸流式風(fēng)機六個，安放在機柜頂部。2、仿真結(jié)果a、方案一數(shù)值分析結(jié)果b、方案二數(shù)值分析結(jié)果c、方案三數(shù)值分析結(jié)果3、仿真結(jié)論方案二的冷卻效果最好

方案三雖然采用了和方案二相同數(shù)量和型號的軸流風(fēng)機，但由于它們安放在機箱頂部，使得出風(fēng)口和風(fēng)機軸線相垂直，從而增大了系統(tǒng)風(fēng)阻，而軸流式風(fēng)機的特點正是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，因此方案三的冷卻效果要大大低于方案二。方案一采用了兩個離心式風(fēng)機，它們的總排風(fēng)量遠遠小于六個軸流風(fēng)機；而且由于風(fēng)機分布的不均勻性，使得插板的安放位置對插板溫度分布的影響較大，總的散熱效果也比方案二差些。注意插板的安放位置

在不同的冷卻方案下，PCB板在各個板位的溫度分布是不同的。當(dāng)有多余的板位時，應(yīng)該注意優(yōu)先選擇溫度較低的板位安放PCB板。案例三某戶外通信電源的熱分析需求分析：一款A(yù)C/DC轉(zhuǎn)換模塊。產(chǎn)品外形尺寸長320毫米，寬70毫米，高255毫米。全封閉結(jié)構(gòu)，要求的防水防塵等級是加強型IP55，即產(chǎn)品的防水測試條件是水溫是