最全熱設(shè)計(jì)規(guī)范(2020版)

目錄熱設(shè)計(jì)簡介各種散熱方式的影響因素機(jī)頂盒散熱設(shè)計(jì)2023/5/161熱設(shè)計(jì)簡介2023/5/162在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道熱設(shè)計(jì)核心熱源熱沉2023/5/163墻壁空氣熱能傳遞只有3種方式:熱傳遞方式傳導(dǎo)、對流輻射、2023/5/164各種散熱方式的影響因素2023/5/165傳導(dǎo)散熱2023/5/166傳導(dǎo)散熱傳導(dǎo)——在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞

截面積長度兩端溫差2023/5/167Q=KA△t/LL----傳熱路徑長度,m傳導(dǎo)散熱計(jì)算公式Q----傳導(dǎo)散熱量,WK----導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃A----導(dǎo)體橫截面積,m2△t----傳熱路徑兩端溫差,℃2023/5/168傳導(dǎo)熱阻的概念由公式Q=KA△t/L變形可得：△t=QL/KA13結(jié)合公式1和公式2，得出熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系：R=L/KA模仿電路電壓和電流電阻關(guān)系的公式U=IR,引入熱阻概念，△t=QR22023/5/1692023/5/1610熱傳導(dǎo)改善熱阻的影響因素減少熱傳路徑長度R=L/KA選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料增加導(dǎo)熱面積降低熱阻2023/5/1611Tj----芯片界面溫度，一般115-180℃,軍用65-80℃;Tc----芯片與導(dǎo)熱介質(zhì)界面溫度Ts----導(dǎo)熱介質(zhì)與散熱片界面溫度Ta----外界為空氣35-45℃

，密閉空間或接近其他熱源50-60℃Rjc----芯片到封裝外殼熱阻Rcs----導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻Rsa----散熱片熱阻散熱片導(dǎo)熱熱阻模型R=Rjc+Rcs+Rsa2023/5/1612

越薄越好?

越薄越好！

越薄越好！減少熱傳路徑長度措施芯片封裝外殼在保證性能前提下盡量薄導(dǎo)熱膏或者導(dǎo)熱墊盡量薄散熱片的導(dǎo)熱底盡量薄2023/5/161318頁進(jìn)一步探討選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料

芯片封裝材料硅99.9%150玻璃1.09樹脂2.16三氧化二鋁322023/5/1614

導(dǎo)熱膏導(dǎo)熱墊種類廠家型號導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱膏DowCorningTC-50223.3導(dǎo)熱膠SONYUT6006W1.74導(dǎo)熱墊BergquistGappad5000S3552023/5/1615

散熱片材料純鋁220純銅386純銀4182023/5/1616增加導(dǎo)熱面積2023/5/1617結(jié)論1：散熱片吸熱底面積增加，芯片有效散熱面積增大縱向熱阻減小2023/5/1618結(jié)論2：散熱底板厚度增加，芯片有效散熱面積增大面積與厚度之間要取優(yōu)化值橫向熱阻減小2023/5/1619吸熱導(dǎo)熱散熱散熱過程三步驟對流2023/5/1620吸熱效果取決于吸熱底設(shè)計(jì)吸熱底4個(gè)要求吸熱快吸熱底與發(fā)熱設(shè)備間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量儲熱多在去熱不良的狀態(tài)下，可以吸收較多的熱量而自身溫度升高較少熱阻小傳導(dǎo)相同功率熱量時(shí)，吸熱底與發(fā)熱設(shè)備及鰭片兩個(gè)介面間的溫差小去熱快能夠?qū)陌l(fā)熱設(shè)備吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，進(jìn)而散失2023/5/1621散熱片夾具和導(dǎo)熱膏吸熱底與發(fā)熱設(shè)備結(jié)合緊密吸熱底與發(fā)熱設(shè)備熱阻小吸熱快2023/5/1622選擇銅材做吸熱底體積比熱容高儲熱多2023/5/1623吸熱底和鰭片焊接、改進(jìn)壓鑄工藝吸熱底和鰭片接觸面積大，熱阻低去熱快2023/5/1624對流散熱2023/5/1625對流散熱計(jì)算公式Q=hA△tQ----對流散熱量,WK----換熱系數(shù),W/m2·℃A----導(dǎo)體橫截面積,m2△t----換熱表面與流體溫差,℃2023/5/1626熱對流改善R=1/hA增加流體換熱系數(shù)增加換熱面積降低熱阻常用冷卻介質(zhì)的對流換熱系數(shù)表單位：W/m2·℃介質(zhì)自然對流強(qiáng)制對流空氣5-2520-100水200-10001000-15000油----------------50-1500水蒸氣-----------------5000-15000水沸騰2500-25000------------------自然散熱主要由兩部分組成：輻射換熱+自然對流。其中輻射換熱占的比例20~50%左右（跟物體溫度及表面處理有關(guān)）

自然散熱時(shí)，可以假設(shè)熱交換系數(shù)10w/m2.℃

2023/5/1627自然對流換熱系數(shù)2023/5/1628強(qiáng)制對流換熱系數(shù)2023/5/16292023/5/1630對流換熱改善2023/5/1631改善對流換熱系數(shù)的措施流體相變變化流體在氣體和液體之間變化引起流動(dòng)原因強(qiáng)制對流和自然對流流體流動(dòng)形態(tài)層流和紊流流體物理性質(zhì)比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度傳熱面幾何性質(zhì)形狀、大小2023/5/1632流體相變變化液態(tài)流體氣態(tài)流體蒸發(fā)段冷凝段在熱管中使用，受熱的流體蒸發(fā)氣化，將熱量帶到冷凝段。流體在冷凝段冷卻液化后，通過毛細(xì)作用流回蒸發(fā)段。自然對流2023/5/1633強(qiáng)制對流強(qiáng)制對流和自然對流強(qiáng)制對流散熱系數(shù)遠(yuǎn)大于自然對流2023/5/1634層流和紊流層流紊流流體分層流動(dòng)，各流層之間互不混雜而平行于管道軸線流動(dòng)，流層間沒有流體質(zhì)點(diǎn)的相互交換。流體不再分層流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)除沿管道軸線方向運(yùn)動(dòng)外，還有劇烈的徑向運(yùn)動(dòng)。紊流散熱系數(shù)大于層流2023/5/1635常用冷卻流體物理性質(zhì)表流體種類比熱容(J/Kg)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)密度(kg/m3)黏度(10-3Pa·s)水4.2X1030.6265,35℃992,40℃0.7208,35℃水蒸氣2.1X103

0.031595150℃2.5481

,150℃0.013,150℃空氣1.005X1030.0231.1774,20℃0.0179,20℃乙醇70%（V/V）2.4X103975煤油2.1X1030.1566

800散熱面積的改善2023/5/1636增加1倍散熱量增加1倍減小到1/2散熱量增加0.4倍增加1倍散熱量增加1倍增加1倍散熱量增加0.4倍氣流方向長度流速散熱面積與氣體溫差氣流散熱面熱源散熱片散熱因素的定量分析2023/5/1637散熱片散熱計(jì)算實(shí)例在80℃的散熱板上，讓40℃的空氣平行流過的強(qiáng)制空冷散，求散發(fā)的熱量。

因?yàn)橐砥姓磧擅妫悦總€(gè)翼片的散熱量為4.88W.因?yàn)橐砥豢赡茏龅骄粶囟确植?，所以要引入翼片效率的概念，?jì)算結(jié)果為81%，則翼片散熱量應(yīng)該修正為3.97WTanh(X)=(ex-e-x)/(ex+e-x)2023/5/1638散熱片的規(guī)格選取2023/5/1639求取散熱片總面積確定吸熱底尺寸確定散熱片高度和數(shù)量在散熱片規(guī)格中選取相近的規(guī)格散熱量熱源尺寸總面積和吸熱底尺寸散熱片的材料和表面處理材料：散熱要求不高的場合，用鋁材；散熱要求高的場合，用銅材；兼顧成本、散熱性能要求，基座用銅，鰭片用鋁。表面處理：為提高鰭片外表面的輻射接收性能，將外表做黑化處理提高鰭片黑度2023/5/1640安裝散熱片的注意事項(xiàng)：1、保證半導(dǎo)體功率器件工件時(shí)的實(shí)際結(jié)溫小于最大結(jié)溫的情況下，應(yīng)該盡量選用體積小、重量輕的規(guī)格。2、散熱效果優(yōu)劣與安裝工藝有密切關(guān)系。安裝時(shí)應(yīng)盡量增大功率器件與散熱片的接觸面積，降低接觸熱阻，提高傳熱效果。3、如果把接觸熱阻降的更小些，安裝時(shí)在功率器件與散熱器之間加一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂，可以降低熱阻25％-35％。4、安裝時(shí)需要在器件與散熱器之間墊導(dǎo)熱或絕緣墊片，建議采用低熱阻材料，如紫銅箔、鋁箔或薄云母、聚酯薄膜、石墨片。5、當(dāng)安裝一個(gè)器件時(shí)，其安裝孔（或組孔）置于散熱片基面中心線上均布（L/2）位置。當(dāng)安裝兩個(gè)或兩個(gè)以上器件時(shí)其安裝孔（或組孔）位置在散熱器基面中心線上均布（L/2n）位置。6、緊固器件時(shí)需保證螺釘扭力一致。7、功率器件與散熱片安裝好后，不宜再對功率器件和散熱片進(jìn)行機(jī)械加工或整形，否則會產(chǎn)生應(yīng)力，增加接觸熱阻。8、單面肋片式散熱器，適于在設(shè)備外部（如安裝在機(jī)箱外部）作自然風(fēng)冷，即利于功率器件的通風(fēng)散熱又可降低機(jī)內(nèi)溫升。9、自然冷卻時(shí)，應(yīng)使散熱片的斷面平行于水平面的方向；強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，應(yīng)使氣流的流向平等于散熱片的肋片方向。散熱片的安裝2023/5/16412023/5/1642自然對流2023/5/1643溫升大于40℃熱流密度小于0.04w/cm2自然對流冷卻方式2023/5/1644自然對流需考慮的問題2023/5/16451.元器件布局是否合理發(fā)熱高且耐熱原件放在出風(fēng)口處，不耐熱原件放在進(jìn)風(fēng)口處，避免發(fā)熱元件對不耐熱元件的輻射影響，可采用隔離措施；熱流密度高的器件放在邊緣與頂部，靠近出風(fēng)口的位置，與其他發(fā)熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯(cuò)開位置；大功率器件應(yīng)該分散布局，避免熱量集中；不同尺寸元器件盡量均分布，使風(fēng)阻均布。2023/5/16462.是否有足夠自然對流空間元器件與結(jié)構(gòu)件之間保持13mm以上的距離；相鄰兩垂直發(fā)熱表面，D/L=0.25；相鄰垂直發(fā)熱表面與冷表面，Dmin=2.5mm;鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上表面,d/D=0.85;鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直表面,d/D=0.7；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平表面,d/D=0.65；進(jìn)出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，避免氣流短路。熱熱LD熱冷LD冷熱dDD冷熱dD冷熱d2023/5/16473.是否充分利用導(dǎo)熱路徑：導(dǎo)熱材料將發(fā)熱器件與機(jī)殼相連。4.是否充分利用輻射散熱路徑；5.使用散熱器；6.其他冷卻技術(shù)：冷管煙囪效應(yīng)如果溫度變高，空氣就會膨脹。也就是說，如果體積相同，熱空氣會變輕。較輕的空氣被較重的空氣推開，然后上升。這就是自然對流。如果用墻壁將又熱又輕的空氣包圍起來，敞開上下面，可進(jìn)一步地促進(jìn)自然對流。這就是煙囪效應(yīng)。

2023/5/1648基于煙囪效應(yīng)的靜壓[kg/m2]=(外部空氣密度[kg/m3]-(內(nèi)部空氣密度[kg/m3])X煙囪高度[m]空氣密度[kg/m3]=0℃的空氣密度[kg/m3]X273.15/(273.15+氣溫[℃])煙囪效應(yīng)形成的壓差假設(shè)外部空氣溫度40℃

，內(nèi)部空氣溫度80℃

，箱子高28cm，求空氣壓差。解：已知0℃空氣密度為1.293g/L外部空氣密度=1.293X273.15/(273.15+40)=1.128g/L內(nèi)部空氣密度=1.293X273.15/(273.15+80)=1g/L盒子煙囪效應(yīng)的靜壓=（1.128-1）X0.28=0.0358kg/m2=0.351Pa2023/5/1649煙囪效應(yīng)的例子2023/5/16502023/5/1651強(qiáng)制對流2023/5/1652熱流密度大于0.08w/cm2強(qiáng)制對流冷卻方式2023/5/16531.風(fēng)道設(shè)計(jì)盡量采用直通風(fēng)道，避免氣流轉(zhuǎn)彎；盡量避免驟然擴(kuò)張或者驟然收縮；進(jìn)出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，避免氣流短路;正面、側(cè)面、背面如無必要不要開孔，避免氣流短路;避免上游單元發(fā)熱影響下游單元，可采用獨(dú)立風(fēng)道；避免風(fēng)道回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點(diǎn)；并聯(lián)風(fēng)道避免風(fēng)阻不合理布局；避免風(fēng)道高低壓區(qū)短路。2023/5/1654估計(jì)換氣量估計(jì)系統(tǒng)阻尼選擇風(fēng)扇類型選擇風(fēng)扇型號基于排氣的散熱量產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造（風(fēng)道）風(fēng)扇P-Q特性圖風(fēng)扇產(chǎn)品目錄強(qiáng)制對流的工作流程換氣量的估算2023/5/165570W(60℃)(40℃)30W100W所需空氣量（L/秒）=熱量[W]空氣熱容量[J/L.℃]X溫度上升[℃]空氣熱容量：1.2953溫度上升：作為產(chǎn)品指標(biāo)的允許溫度和使用環(huán)境溫度之間的差所需空氣量為2.7[L/秒]風(fēng)扇P-Q特性圖2023/5/16562023/5/1657輻射散熱輻射換熱輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式

Q=··T4

Q----輻射散熱量,W

----散熱表面輻射率,W/m2·℃σ----

斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),5.6710-8(W/m2K4)T----絕對溫度,K輻射散熱2023/5/16582023/5/1659材料溫度黑度精密研磨的鋁200～6