电子设备热设计讲座西安电子科大

电子设备热设计讲座,韩宁西安电子科技大学2010年6月北京,为什么要掌握热设计技术,因为：体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容散热问题是制约设备小型化的关键问题,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热分析方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,课程具体章节,第八章电子设备用冷板设计,第九章热电制冷器,第十章热管散热器的设计,第十一章电子设备的热性能评价,第十二章计算流体及传热分析,第十三章热设计实例,第一章电子设备热设计要求,1.1热设计基本要求,1.2热设计应考虑的问题,1.1热设计基本要求,热设计应满足设备可靠性的要求,大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130的基本失效率为13.910-6h-1，而在25时的基本失效率为2.2510-6h-1，高低温失效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。,应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率，利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和功耗。,对于大部分电子器件，失效率和温度之间的关系为,F=AeE/KT,式中：F=失效率，为常数；E=电子激活能量(eV)；K=波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K)；T=节点温度，K。,热设计应满足设备预期工作的热环境的要求,电子设备预期工作的热环境包括：,环境温度和压力（或高度）的极限值,环境温度和压力（或高度）的变化率,太阳或周围其它物体的辐射热载荷,可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）,冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降,表1-1空中、地面和海面典型的热环境,表1-2MIL-E-5400中各级设备的环境条件,表1-3在AR70-38中的温度范围,热设计应满足对冷却系统的限制要求,供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率）,对强迫冷却设备的振动和噪声的限制,对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制,对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）,热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求,第一章电子设备热设计要求,1.1热设计基本要求,1.2热设计应考虑的问题,1.2热设计应考虑的问题,应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可用性最高,热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性,设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力,对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口，以免过热,舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采用间接冷却,应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施,应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果,应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度,应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应,第一章电子设备热设计要求,1.1热设计基本要求,1.2热设计应考虑的问题,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热分析方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,2.1热分析的基本问题,热分析的两个基本目的：预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度；使热设计最优化，以提高可靠性。,表2-1为热分析提供详细的信息,热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数,热阻的定义：,热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每种传热形式所传递热量与其热阻成反比,热分析的两种主要方法：基于实验测试的准则方程法；数值传热计算法。,电子设备方案设计的各阶段都需做热分析，并随着设计的进展要求的细微程度也随之增加，如表2-2所示。,表2-2各预计方案热分析的等级,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,2.2传热基本准则,凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类,传热的基本计算公式为：,式中：热流量，W；总传热系数，W/(m2)；A传热面积，m2；t热流体与冷流体之间的温差，。,热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射,一、导热,导热的微观机理,气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。,导热基本定律傅立叶定律,式中：热流量，W；导热系数，W/(m)；A垂直于热流方向的横截面面积，m2；x方向的温度变化率，/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。,导热热阻,对傅立叶定律在一维直角坐标系或圆柱坐标系中积分可得单层平壁和单层圆筒壁导热热阻的计算式为：,平壁导热热阻：,圆筒壁导热热阻：,式中：平壁厚度，m；L圆筒壁长度，m；r2圆筒壁外径，m；r1圆筒壁内径，m。,减小导热热阻的方法,二、对流,可分为自然对流和强迫对流两大类,对流换热采用牛顿冷却公式计算,式中：h对流换热系数，W/(m2)；A对流换热面积，m2；tw热表面温度，；tf冷却流体温度，。,对流换热热阻,对流热阻：,减小自然对流热阻的措施,减小强迫对流热阻的措施,三、辐射,辐射能以电磁波的形式传递,任意物体的辐射能力可用下式计算,式中：物体的表面黑度（表面辐射率）；0斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8W/(m2K4)；A辐射表面积，m2；T物体表面的热力学温度，K。,减小辐射热阻的措施,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,2.3换热计算,一、自然对流换热的准则方程,式中：Nu努谢尔特数，Nu=hD/；Ra瑞利数，Ra=GrPr；Gr格拉晓夫数，Gr=g2D3t/2；Pr普朗特数；C、n由表2-3查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；h自然对流换热系数，W/(m2)；D特征尺寸，m；流体的导热系数，W/(m)；流体的体积膨胀系数，-1；g重力加速度，m/s2；流体的密度，kg/m3；流体的动力粘度，Pas；t换热表面与流体的温差，。,表2-3自然对流准则方程中的C和n值,表2-4自然对流换热表面传热系数计算公式,二、自然对流换热的简化计算,对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下简化公式进行计算,式中：热流密度，W/m2；A换热面积，m2；C系数，由表2-3查得；D特征尺寸，m；t换热表面与流体（空气）的温差，。,三、强迫对流换热的准则方程,管内流动及沿平板流动的准则方程,表中的雷诺数Re定义为:,式中：流体的密度，kg/m3；u流体流速，m/s；流体的动力粘度，Pas；D特征尺寸，m。,当管道为短管（即管长l与管径d之比小于50）或弯管时，前表中的紊流准则方程右端应乘以相应的修正系数,短管修正系数l如下图所示,弯管修正系数R为,气体：,液体：,其中R为弯管曲率半径。,四、辐射换热计算方程,两物体表面之间的辐射换热计算公式为：,式中：T1、T2物体1和物体2表面的绝对温度，K；1、2物体1和物体2的表面黑度；xt系统黑度；A物体辐射换热表面积，m2；F12两物体表面的角系数。,表2-4不同形状物体的角系数,表2-5典型表面的黑度,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,2.4热电模拟,一、热电模拟方法,将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容（cpqm）模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。,二、热电模拟网络,利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。,从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。,三、传热路径,热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。,四、热阻的确定,确定热阻的步骤,a.根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度,b.确定设备或冷却剂的最高环境温度,c.根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升,d.确定每个元器件冷却时所需的热阻,热阻的计算,a.导热热阻和对流热阻的计算式参见2.2节,b.辐射换热网络法,任意两表面间的辐射网络如下图所示：,图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,2.5热设计步骤,1.熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或元器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。,2.确定可利用的冷却技术和限制条件。,3.对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确定每个发热元器件的功耗。,4.画出热电模拟网络图。,5.由元器件的内热阻确定其最高表面温度。,6.确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。,7.根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。,8.对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。,9.选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。,10.估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案。,11.热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容设计。,第二章电子设备热分析方法,2.1热分析的基本问题,2.2传热基本准则,2.3换热计算,2.4热电模拟,2.5热设计步骤,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热设计方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,第三章冷却方法的选择,3.1冷却方法的分类,3.2冷却方法的选择,3.3冷却方法选择示例,3.4冷却技术的极限,3.1冷却方法的分类,按冷却剂与被冷元件之间的配置关系,a.直接冷却,b.间接冷却,按传热机理,a.自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）,b.强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）,c.蒸发冷却,d.热电致冷,e.热管传热,f.其它冷却方法,第三章冷却方法的选择,3.1冷却方法的分类,3.2冷却方法的选择,3.3冷却方法选择示例,3.4冷却技术的极限,3.2冷却方法的选择,一、温升为40时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如右图(图3.1)所示,0.31,0.62,1.08,二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下图(图3.2)关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却,由上图可知，当元件表面与环境之间的允许温差T为60时，空气的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于0.05W/cm2时有效。,强迫风冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允许温差为100时，风冷最大可能提供1W/cm2的传热能力。,采用肋化空气冷却散热器或采用直接和间接液冷的方法，可以进一步提高器件表面的散热能力。,含氟化合物液体的沸腾换热可提高元件的散热密度。这些液体具有高的介电特性，故大多数电气元件可直接浸没在含氟液体中。因此，当在大容器中饱和沸腾且温差T小于20时，从元件传走的热流密度可超过10W/cm2。浸没冷却采用自然对流换热方法也具有明显的优势，如图所示，它是衔接直接空气冷取和冷板技术的桥梁。,大多数电子设备在某种程度上都利用了导热、对流和辐射这三种基本传热方式，但在具体设计中往往只采用一种主要传热方式。,电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值如下表所示：,三、设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。,四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。,五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。,六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器时，就可以采用强迫空气冷却。,七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器件或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件相容，其典型热阻为每平方厘米1.25/W。直接强迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03/W。,八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设备或元器件，其热阻值为每平方厘米0.006/W。,九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重量大、效率低。,十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻。,第三章冷却方法的选择,3.1冷却方法的分类,3.2冷却方法的选择,3.3冷却方法选择示例,3.4冷却技术的极限,3.3冷却方法选择示例,功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm381mm432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？,体积功率密度：,热流密度：,由于V很小，而值与图3.1中空气自然冷却的最大热流密度比较接近，因此不需要采取特殊冷却方法，依靠空气的自然对流散热就足够了。,由图3.1可知，若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到0.1m2（自然冷却所需的面积为0.75m2）。,第三章冷却方法的选择,3.1冷却方法的分类,3.2冷却方法的选择,3.3冷却方法选择示例,3.4冷却技术的极限,3.4冷却技术的极限,一、各种冷却技术极限,二、常用冷却技术单位面积的最大功耗,W/m2,第三章冷却方法的选择,3.1冷却方法的分类,3.2冷却方法的选择,3.3冷却方法选择示例,3.4冷却技术的极限,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热设计方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,第四章电子元器件的热特性,4.1半导体器件的热特性,4.2磁芯元件的热特性,4.3电阻器的热特性,4.4电容器的热特性,4.1半导体器件的热特性,半导体器件生产厂商应提供的热特性参数包括：器件工作参数与温度的关系曲线，最高和最低的储存温度，最高工作结温及有关的热阻值。,进行电路设计时，应参照器件可靠性标准中规定的失效率与温度的关系曲线，降低工作结温，以便获得理想的可靠性。由于设备和系统的可靠性是元器件失效率的函数，因此只有经过细致的可靠性设计，才能控制结温不超过允许值。,需要用内热阻将结与外部环境相联系。器件的结壳热阻Rjc可按下式计算：,式中：Rjc结外壳热阻，/W；tjmax最大结温，；tB器件的外壳基座温度，；Pmax最大功耗，W。,一、小功率晶体管,a.结外壳热阻Rjc,该值在使用时应注意两点：在多头引线器件中，导线热阻比通过外壳的热阻大几倍，故可忽略不计。壳外侧温度变化范围可能很大，应知道外壳上用来确定Rjc的参考点管壳的基座温度。,b.结空气热阻Rja,当元器件之间空气间隙很大、相互影响很小、且以对流换热为主要途径时，可采用此值。用此参数确定结温时，应仔细估计空气温度。,c.元器件的最大功耗Pmax,最大功耗是指保持给定的最大结温，在规定的正常环境条件（一般指空气温度或壳温为25）下，元器件可以耗散的最大功耗。由此可以转换成Rjc或Rja,小功率晶体管的引线导热是一种高热阻通路。其内部键合引线的热阻更大。这种热流通路在热回路中通常可以忽略不计。外壳至衬垫之间的导热是最好的传热方法。散热效果取决于安装状况。,二、功率晶体管,功率晶体管在设计时通常在其结和外壳结构之间设置了低热阻的通路。为了使通过管座的热量得到扩散，同时加大热容量和为耐热瞬变提供保护，将管座设计得较厚，从而使得管座的温度变化较小。,功率晶体管的传热主要是通过管座的导热，因此安装表面必须平整光滑，以减小界面热阻。,三、集成电路,集成电路的结壳热阻与芯片尺寸及材料、焊接材料、基板或外壳材料及封装的几何结构形状等因素有关。在混合电路器件中环氧树脂焊接芯片的热阻可达120/W，双列直插式（DIP）塑封器件的芯片热阻大约为135/W。大多数混合电路单元芯片与封装外壳表面的热阻值为2540/W。,集成器件的外部热通路必须注意封装表面的导热散热。与晶体管相似，为保证接触良好，最好采用弹性安装垫、弹簧夹，同时在安装界面处采用导热膏（脂）或导热橡胶。,四、中规模和大规模集成电路（MSI和LSI）,MSI和LSI中的每个结的功耗一般都很小，但是器件的总功耗可能很大。为了保证集成电路可靠工作，通常规定了允许的衬底温度或最大功耗。散热是一种或多种外部低热阻传热路径的设计问题。衬底与安装表面之间应有紧密的热接触。安装结构在垂直于安装表面方向应具有比较高的导热系数，以保证衬底温度的均匀性。,五、微波器件,微波器件对温度非常敏感。为了降低器件的内热阻，某些器件要采用金刚石做框架。因此在电子器件所遇到的温度范围内，金刚石的热阻比银低。,氧化铍陶瓷具有高导热系数和良好的绝缘性能，广泛用于微波器件的封装中。由于陶瓷易碎，因此采用采用这种材料的器件在进行热设计时，必须对器件进行热膨胀的分析，以免产生机械应力。,六、半导体器件的热功耗计算,a.CMOS器件,CMOS器件的功耗是频率的一阶函数、器件几何尺寸的二阶函数。开关功耗占器件总功耗的7090。,CMOS器件的开关功耗计算公式为：,式中：C输入电容，F；V峰峰电压，V；f开关频率，Hz。,门接通功耗占CMOS器件总功耗的1030，其计算公式为：,式中：Ntot总门数；Non开门百分比，；q功耗系数，W/Hz每门；f开关频率，Hz。,b.开关管,开关管的损耗主要包括开关损耗和通态损耗两部分。,通态损耗：,式中：ID漏极电流，A；RDS(ON)通态电阻，。可由下式计算：R025时额定值，可由器件手册中查到；温度系数为0.01；Tj工作结温，。,开通过程损耗：,关断过程损耗：,式中：tr管压降下降时间，从VDS初始值的90降到10的时间间隔，ms；tf管压降上升时间，从VDS关断值的10上升到90的时间间隔，ms；fs开关频率，KHz。,开关管的总损耗：,c.输出整流二极管,通态损耗：,式中：VF正向导通压降，V；IF正向导通电流，A；D占空比。,开通损耗：,式中：VFRM正向恢复电压，V；tfr正向恢复时间；f开关频率。,关断损耗：,式中：VR反向稳态电压；trr反向恢复时间；IRM反向恢复电流；f开关频率。,输出整流管的总损耗：,第四章电子元器件的热特性,4.1半导体器件的热特性,4.2磁芯元件的热特性,4.3电阻器的热特性,4.4电容器的热特性,4.2磁芯元件的热特性,磁芯元件热性能失效的主要形式是绝缘材料和导体的失效。对A类绝缘材料而言，在实际工作温度范围内，温度每增加1012，绝缘材料的寿命将减小一半；对油浸式绝缘材料，温度每增加710，寿命也减半。,电感器的热量由磁芯和导体产生的。导热是铁芯电感器的主要传热方式。由于需要逐匝和逐层进行电绝缘，故内部热点和表面之间的热阻较大，使绕组具有较高的温度。,绝缘材料在极限温度下工作的寿命受下列因素的影响：,a.材料的成分和质量,b.材料制作工艺,c.材料所受的机械应力,绝缘材料的极限温度,Y类绝缘材料（包括木材、棉花、纸、纤维等天然纺织品，以醋酸纤维和聚酰胺为基础的纺织品，以及熔化点较低的塑料等）的极限温度为90,A类绝缘材料（包括用油或油树脂复合胶浸过的Y类材料，漆包线、漆布、漆丝及油性漆、沥青漆等）的极限温度为105,E类绝缘材料（包括聚酯薄膜和A类材料复合、玻璃布、油性树脂漆、聚乙烯醇缩醛高强度漆包线、乙酸乙烯耐热漆包线）的极限温度为120,B类绝缘材料（包括聚酯薄膜、经和成树脂粘合或浸渍涂敷的云母、石棉、玻璃纤维等，聚酯漆、聚酯漆包线）的极限温度为130,H类绝缘材料（包括复合云母、有机硅云母制品、硅有机漆、硅有机橡胶、聚酰亚胺复合玻璃布、复合薄膜、聚酰亚胺漆等）的极限温度为180,C类绝缘材料（包括不采用任何有机粘合剂或浸渍剂的无机物，如云母、石棉、玻璃、石英和电瓷材料等）的极限温度为180以上,高频变压器的损耗,变压器的损耗包括铜耗和铁耗两部分。,铜耗计算,原边,副边,式中：IP原边电流有效值，A；IS副边电流有效值，A；NP原边匝数；NS副边匝数；铜的电阻率1.72105，mm；l每匝的长度，mm；A每匝铜线的截面积，mm2。,铁耗计算,可从产品手册中查到单位体积铁耗Pv，根据下式求出铁耗：,式中：Pv单位体积铁耗，W/cm3；Ve铁芯体积，cm3。,变压器的总损耗：,第四章电子元器件的热特性,4.1半导体器件的热特性,4.2磁芯元件的热特性,4.3电阻器的热特性,4.4电容器的热特性,4.3电阻器的热特性,电阻器通常按自然冷却方式设计，导线的长度及连接点的温度对电阻器的工作温度影响很大。,GJB299规定了所有通用电阻器的热性能额定值，并提供了应力分析数据。温度对电阻器的影响，主要表现为电阻值和失效率随温度的变化而变化。,第四章电子元器件的热特性,4.1半导体器件的热特性,4.2磁芯元件的热特性,4.3电阻器的热特性,4.4电容器的热特性,4.4电容器的热特性,电容器一般不作热源处理，但漏电很高的电解电容器以及在发射机射频电路中损耗系数很高的电容器应作为一个热源考虑。电容器的泄漏电阻随温度的升高而降低。,玻璃介质电容器的最高工作温度为200,塑料外壳云母介质电容器的最高工作温度为120,釉瓷电容器的最高工作温度为120,钛酸钡介质电容器的温度上限约为85,普通高质量电解电容器的最高环境温度为85。钽电解电容器的最高环境温度按不同型号分别规定为125、150、175和200,可变电容器（除钛酸钡外）所用的介质材料都能在200工作,正弦激励下的电容功耗计算公式为：,式中：C电容值，F；VM正弦峰值电压，V；角频率，2f；f频率，Hz。,第四章电子元器件的热特性,4.1半导体器件的热特性,4.2磁芯元件的热特性,4.3电阻器的热特性,4.4电容器的热特性,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热设计方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,5.1热安装技术,一、电阻器,大型线绕电阻器的安装不仅要采取适当的冷却措施，而且还应考虑减少对附近元器件的辐射热。,若有多个大功率电阻器，最好将它们垂直安装。长度超过100mm的单个电阻器应该水平安装，其平均温度要稍高于垂直安装。但水平安装时，其热点温度要比垂直安装时低，且温度分布比较均匀。,如果元件与功率电阻器之间的距离小于50mm，需要在大功率电阻器与热敏元器件之间加热屏蔽板（抛光的金属屏蔽板）。,若电阻器紧密安装，而间距小于或等于6mm时，就会出现相互加热的现象。此时电阻器的安装方式（水平或垂直安装）影响不明显。,二、半导体器件,小功率晶体管、二极管及集成电路的安装位置应尽量减少从大热源及金属导热通路的发热部分吸收热量，可以考虑采用隔热屏蔽板(罩)。,对功耗等于或大于1W，且带有散热器的元器件，应采用自然对流冷却效果最佳的安装方法和取向。,三、变压器和电感器,铁芯电感器的发热量大致与电流的平方成正比，一般热功耗较低，但有时也较高（如电源滤波器中）。电源变压器是重要的热源，应使其安装位置最大限度地减少与其它元器件间的相互热作用，最好将它安装在外壳的单独一角或安装在一个单独的外壳中。,四、传导冷却的元器件,当多个器件耗散的热量传到一个共同的金属导体时，就会出现很明显的热的相互作用。当共同的安装架或导体与散热器之间的热阻很小时，热的相互作用就很小。否则应把元器件分别装在独立的导热构件上。,五、不发热元器件,不发热的元器件可能对温度敏感，其安装位置应该使得从其它热源传来的热量降到最低的程度。但这些元器件处于或靠近高温区域时，热隔离只能延长热平衡时间，元器件仍然会受热。最好的热安装方法是将不发热元件置于温度最低的区域，该区域一般是靠近与散热器之间热阻最低的地方。如下图所示：,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,5.2热屏蔽和热隔离,为了减小元件之间热的相互作用，应采取热屏蔽和热隔离的措施，保护对温度敏感的元器件。具体措施包括：,1.尽可能将热流通路直接连接到热沉；,2.减少高温与低温元件之间的辐射耦合，加热屏蔽板形成热区和冷区；,3.尽量降低空气或其它冷却剂的温度梯度；,4.将高温元器件装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中，这些外壳与散热器有良好的导热连接。元器件引线是重要的导热通路，引线应尽可能粗大。,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,5.3印制板的自然冷却设计,一、印制板印制导体尺寸的确定,根据流入印制板电流的大小以及允许温升范围，可用右图确定印制导体的尺寸。该图是多层板内导体的导体宽度（或面积）、温升与电流之间的关系曲线。对于外层导体，相同的导体宽度，其工作电流可大2倍左右。,二、印制板的种类及传热特性,FR4的导热系数为0.25W/mK,铜的导热系数为388W/mK,PCB板处理成具有各向异性热传导率的均匀材料,PCB模型中沿板面的热传导率远大于垂直于板面的热传导率,沿板面的热传导率随着PCB板铜层的数目的增加而变大,垂直板面的热传导率变化不大，一般为0.3W/mK,三、PCB散热能力的增强,1.提高基板材料的导热能力,陶瓷材料的导热能力比金属低，但比树脂材料高两位数。,BeO为热传导性优异的陶瓷材料，堪与铝制材质比美，且有优异的电绝缘特性，但因其有毒性，使用时需特别注意。最近以新开发的无毒性SiC及AIN材料来替代BeO。,2.采用金属化过孔提高PCB的法向传热能力,金属化通孔可增加PCB在垂直方向的热传导性，如上图所示。通孔外层是铜，由于镀铜有限制，因此当孔径较大时无法将铜镀满，因此中间一般是胶。为了增加热传导性，可填充传导性高的银胶等。当通孔数量越多，孔径越大，且越集中在发热器件下方，散热效果会越好。,3.采用金属散热印制板,金属基板比起其它的PCB可提供更好的散热特性。金属基板的基本散热性能约为80mW/mm2，由于金属的热扩散性很好，因此也取代了许多需要散热片的应用场合。金属基板也提供了大块的金属面积，可作为接地及屏蔽之用，对于高频的应用也很重要。应用于金属基板的金属材料除一般为铜、铝合金等。,在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板,在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板,在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印制板,目前常用的有以下几种金属散热印制线路板：,导热印制板在设计时要特别注意：由于金属和环氧玻璃纤维板的热膨胀系数差别较大，如胶接不当，可能引起电路板翘曲。,4.器件在PCB上的合理布局,板的放置方向,在自然对流时PCB水平放置的效果较垂直放置的效果要差，这是因为垂直放置时，气流可有效流过器件表面，而水平放置时，气流只从器件表面向上流动。在强制对流时由于风量大，因此放置方向的效果较不明显。,在PCB上配置发热特性不同的器件,当PCB上安装耐热性不同的器件时，将耐热性差或不发热的器件（IC、晶体管、电容器等）放置于下风侧；将耐热性好或发热器件（如电阻、变压器）放置于上风处。这是因为若将怕热器件安装于发热器件的发热路径之上，会使得温度变得更高。在实际情况不允许的时候，可考虑在器件之间加装隔热板。,器件配置配合系统设计,应将发热量高的器件安装于系统中方便通风的地方，例如通风口旁或接近风扇的地方，尤其是空间小的电子装置如笔记本电脑等。如此可缩短散热路径，也不会加热到其它的装置或器件。,器件的放置需配合散热方式,在自然对流时，由于通风来自温差引起的浮力，因此要注意避免妨碍通风的凸起物，因此图(b)的温度较低。在强迫风冷时，由于可以得到强大的通风力，因此设计重点则是提高器件表面和周围流动气体之间的对流换热系数，图(a)的摆设方式虽然造成阻碍，但是如果风量足够，扰流所引起的对流换热系数增加所造成的冷却效果较大。,四、印制板上电子元器件的热安装技术,安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。,例如一块6.35mm6.35mm扁平封装集成电路，安装在厚度为0.127mm的印制板上，用厚度为0.0762mm的聚酯薄膜胶粘剂把印制板叠合到铝板上，制成印制板的总厚度为0.2032mm，实验结果如下表所示：,为降低从器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上，常用的有RTV胶粘剂、双面胶带（聚酯薄膜或Kapton）和环氧树脂等。,对于有维修要求的印制板，应避免在元件下面使用环氧树脂胶粘剂。可使用其它胶粘剂代替，如RTV胶粘剂等。,对于小功率元件，可以不用任何胶粘剂而直接紧固在印制板上。如果元件下面的空气隙厚度能控制在0.127mm左右，则元件的耗散热量可以通过空气隙的导热散掉，其典型热阻值为60/W。,安装大功率器件时，若采用绝缘片，可考虑导热硅橡胶片。为了减小界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。,在大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游，小规模集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。,因电子设备的工作温度范围较宽，元器件引线和印制板的热膨胀系数不一致，在温度循环变化及高温条件下，应注意采取消除热应力的一些结构措施。如下图所示。,对于具有轴向引线的圆柱形元件（如电阻、电容和二极管），应当提供的最小应变量为2.54mm，如图5-1(a)所示。大型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-1(b)、(c)那样留有较大的应变量。,图5-1电子元器件典型的引线应变释放,在印制板上安装晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-2(a)所示。这是一种不好的安装方式，因为引线的应变量不够，会导致焊点随印制板厚度的热胀冷缩而断裂。安装晶体管的几种较好方法如图5-2(b)(e)所示。,图5-2安装晶体管的各种方法,双列直插式组件可用导热材料（如RTV胶粘剂）粘接到印制板或散热器上。胶粘剂厚度一般应控制在0.1270.254mm，如上图(b)所示。图(d)和图(e)采用空气隙释放应变，适用于低功率器件（约低于0.2W）。图(c)综合利用小空气隙和散热器，可同时起到释放热应变和散热的作用。,五、印制板导轨热设计,印制板导轨起两个作用：导向和导热。作为导热用时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并且保证导轨与机箱壁有良好的热接触。下图是一些典型的导轨结构及其热阻值。,六、导热条式印制板的热计算,当印制板采用导热条式散热印制板，并且导热条上的热负荷是均匀分布时（图右图所示），可用下式计算印制板上任意一点元件的外壳温升（忽略元件与导热条之间的接触热阻）：,式中：l单位长度热流量，W/m；A导热条横截面积，m2；导热条材料导热系数，W/(m)；l印制板长度，m；x印制板上任意点距中心的距离，m。,例5-1一系列扁平封装的集成电路安装在如下图所示的多层印制板上，每块IC的耗散功率为100mW。元件的热量要通过印制电路板上铜衬垫传导至印制板的边缘，然后进入散热器。设散热器表面温度为26，元件壳体允许温度约为100。铜衬垫厚度为0.0711mm。试计算从印制板边缘到中心的温升，并检查设计是否满足要求。,解：扁平封装的集成电路产生均匀分布的热负荷，导致抛物线式的温度分布，因此可用前面推导的计算公式计算。,已知60.10.6W（铜条的输入热流量），l152.4mm，287W/(mK)（铜的导热系数），A5.080.071110-63.61310-7（横截面积），将以上数据代入计算公式可得铜条的温升：,元件壳体温度由散热器表面温度加上铜条温升确定，即：,这种形式的系统中，主要依靠导热传热，对流和辐射的散热量很小。显然系统温升偏高，所以该设计不能满足元件温度要求。,如果铜条厚度加倍，温升将是55，则可以满足集成电路的温度要求。如果考虑到高温应用，良好的设计是将铜衬垫的厚度增加到0.2844mm左右。,七、印制板的合理间距,对于对称的等温竖直平行平板，实验结果表明，两平板的最佳间距为：,式中：Pcp比定压热容，kJ/(kg)；空气平均密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；V体积膨胀系数，-1；t板与空气的温差，；空气的动力粘度，Pas；空气的导热系数，W/(m)。,其它情况的最佳间距值如下表所示。,表5-1印制板模化通道的最佳间距,对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。,对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。,竖直安装的印制电路板，最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。,上述间距下，在71的环境中，对于小型印制电路板上热流密度为0.0155W/cm2的组件，其表面温度约为100（即温升约为30）。,自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2。,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,5.4传导冷却,自然冷却电子设备中热源至散热器的典型热阻网络如下图所示。若已知每个热源的功耗、所需工作温度及散热器温度，则图中的热阻均可用前面章节中的热阻计算公式得到。,导热路径中的接触热阻是一个比较大的热阻。其产生主要是由于实际两个固体壁面的接触只是发生在某些点上所致，如下图所示。,采用热传导系数hi表示的关系式：,不同加工方法所获得的一些典型表面粗糙度的数值如表5-2所示。,表5-2不同加工方法的典型表面粗糙度,一般来说，光滑表面粗糙度的均方根值低于0.38，粗糙表面粗糙度的均方根值大于2.03。,表5-3接触压力为68.95kPa时各种材料的热传导系数值,油的导热系数=0.1263W/(mK),下表表示各种材料在接触压力为68.95kPa情况下的接触热传导系数值。,适当的增加两个接触表面上的压力可以有效的减小接触热阻。右图是接触热阻与接触压力、表面状况之间的关系曲线。,接触缝隙内是真空或低气压时，接触热阻会显著增大。,对于从海平面到真空的各种高度，具有低接触压力的邻近表面间，其接触面的热传导变化如右图所示。,要在真空环境中传递热量，必须提供刚性的热接触面。测试数据表明，典型薄板金属结构具有的界面热传导系数只有海平面的10。,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,5.5电子设备机柜和机壳的设计,采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子设备自然散热的路径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。,一、密封机箱温升的推算和散热限度,密封机箱所有表面所散发的热量在工程上可近似用下式来估算：,式中：T密封机箱表面的散热量，W；Ss机箱侧面的有效面积，m2；St机箱顶面的表面积，m2；Sb机箱的底面积，m2；t机箱的温升值，；斯忒藩玻尔兹曼常数，5.67108W/(m2K4)；机箱的表面黑度；Tm0.5(TTa)；T机箱的表面温度，K；Ta环境温度，K；SSsStSb。,密封机箱的散热量取决于其表面积。若要求机箱的温升保持在一定范围内，对给定的机箱表面积，其所能散发的热量是有限度的。,机箱表面积与散热限度的关系如图5-1所示：,图5-1密封机箱自然散热时的散热量（室温为20，表面黑度0.3）,设室内环境温度为20，机箱表面黑度为0.3，则表面积为3m2的密封机箱，内部发热量为150W时（见图中A点），在自然冷却条件下，机箱的温升可在15以内。,图5-1的用法说明：,若内部发热量为300W时（B点），可知在自然冷却时，机箱的温升在1525；若此时要求温升在15以内，则采用密封机箱自然冷却就满足不了要求，即超过了机箱的散热限度，这时就要对密封机箱采取强迫风冷或选择通风机箱。,如果内部发热量为200W时（C点），则可以判断，如果注意机箱的安放地点和方式，可将机箱的温升控制在15以内。,二、通风机箱温升的推算和散热限度,自然散热的通风机箱主要经由机箱表面散热和自然通风带走热量两种方式来进行散热。,通风机箱散发的热量可用下式计算：,式中：通风孔处的风速，m/s，经实验测定，一般为0.10.2；A通风孔面积，m2。,通风机箱的散热受到机箱表面积和通风孔面积的限制。,500mm500mm200mm和300mm300mm100mm两种表面积的机箱的通风孔面积与散热量之间的关系如图5-2所示。,图5-2自然散热时，通风孔面积与散热量的关系,当内部发热量与所要求的温升值是确定的，则可由图5-2估算出这时所必需的通风孔面积。若超出了这一限度，就要采用强迫风冷方式。,1)为300mm300mm100mm的通风机箱,机壳表面的最大热流密度不得超过0.039W/cm2。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）10。,外壳必须与底座和支架有良好的导热连接。热路中的大部分热阻存在于接合交界面处。所有金属间的接触面必须清洁、光滑，并且接触面积应尽可能大，且应有足够的接触压力。,铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.4525.8cm2/W。金属厚度以0.250.5cm为宜。,通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口则应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。,机柜的后门(面板)不须开通风口。,底部或侧面不能漏风。,应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。,机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。,对散热器采用直齿的结构，模块放在机柜机架上后，应保证散热器垂直放置，即齿槽应垂直于水平面,铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.4525.8cm2/W。金属厚度以0.250.5cm为宜。,通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口则应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。,机柜的后门(面板)不须开通风口。,底部或侧面不能漏风。,应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。,机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。,对散热器采用直齿的结构，模块放在机柜机架上后，应保证散热器垂直放置，即齿槽应垂直于水平面,机箱（或机壳）内、外表面涂漆、在靠近发热元件的机壳顶部底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的温度。,第五章电子设备的自然冷却设计,5.1热安装技术,5.2热屏蔽和热隔离,5.3印制板的自然冷却设计,5.4传导冷却,5.5电子设备机柜和机壳的设计,课程具体章节,第一章电子设备热设计要求,第二章电子设备热设计方法,第三章冷却方法的选择,第四章电子元器件的热特性,第五章电子设备的自然冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,第七章电子设备强迫空气冷却设计,第六章电子设备用肋片式散热器,6.1概述,6.2肋片散热器的传热性能,6.3肋片散热器设计,6.4肋片散热器在工程应用中的若干问题,6.1概述,工程中常用的肋片等截面肋：矩形肋，圆形肋等（图2-1a、b）变截面肋：梯形肋，三角形肋等（图2-1c、d）,国内目前主要采用的散热器系列叉指形散热器（GB7423.3-87）,如图2-2；型材散热器（GB7423.2-87）,如图2-3。,叉指形散热器适合于中、小功率器件的散热；型材散热器适合于中功率器件的散热。,第六章电子设备用肋片式散热器