最全的热设计基础知识及flotherm热仿真

1、2，传导、对流、辐射3散热方式的选择4自然对流散热和强制对流散热电子设备的发展趋势1、热耗上升化2、设备小巧化3、环境多样化Powr Trende in Electron* Device*过热电子产品故障的首要原因玫徐率(10泵时)Mooooerod 置 Ed020.1-0.050 005图1:结点专命统计Figure 1 : Junction Li fe Statist icsJunction Temperature C(Sourc* GEC Ressarch) 资料来源i GEC研究院92:电子产品故障主要原因Figure 2: Major Causes of Electronics Fa

2、ilures(Source : US Air Force Avionics Intecrity Program)资料来源,美国空军統空电子養体研究项目发热问躍被Mb认为电子设备结构设计所的三大 问题之一（*度与撮动、散如 电曲R客）热设计的基本要求:满足设备可靠性的要求满足设备预期工作的热环境的要求满足对冷却系统的限制要求酱热设计的基础概念热设计工程师与EE, ME, Layout等项 目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能 并降低成本问题：热的单位是什么？是（？热是能呈的形态之一。与动能、电能及位能等一样.也存任 热能.热能的单位用F （焦耳）表示。能量能在1N力的作用 下使物体移动使：

3、lg的水温度升高0.241。lJ=lNm热设计的基础概念设条会持续发热。像这样.热呈连续不断流动时，用每秒 的热上mj=访理解。单位为j/s也可用w（瓦转衣示热设计的基础概念100J的能量可ttlOOg/K的鮎及I，丿0.249。 这并不足通过升咼水的温皮泊耗JTOOJ的能帘二 向是在水中作为热能保存了起來,能屋既不会凭空消失.也绝不公凭空产生。这 就是最重要“能屋守也定律气C是温度单位。温度是指像能社密度样的物理筑。 它只不过是根据能彊的匕少表现出來的一种现象即使能 ；,柑同.如果集中在一个狭窄的空间内f 而人范朗分散时.温度就会降低热设计的基础概念电八产品接通电源丿 段时间虫I心的热能会被

4、用f提髙装克的温度，而排出的能屋仅 为少数之后，装置温度升高一定程度时，输入的能 屋与排除的能量必定致。占则温度便会无止境匕升。从世界匕消失的机构气就像前血指出的那样.说是发热S但并非凭空突然产生 热能。说是冷却，但也并不是热能完金消失。如下图所示,热设计是指设计一种z将OOW的能吊完全向 外部转移的机构.其结果足可达到级OCTC以下“。人家凶先要 有一个正确的认识！。通过屮皈的 一堆转馆热传导A为垂直T热流方向的截面枳入为材料的导 娛系数，单位W/（m K）它是表征材料导？ 力优劣的物性参数。热流量是指单位时间内通过某给定面积的热星, 单位为W,导朋系数足指在稳定传热条件下,lmJ9的材料,

5、两 侧农面的温差为1度（KC），在1杪内.通过1平 方米面积传递的热屋单位为瓦/米度（W/mK,此 处的K叮用。C代秤o它是表征材胖导热能力优劣的物性参数。在30 C时.空气的导热系数为 0.027 W/m- Q C 因此可以利用空气夹层來绝热, 通怡把导热系数小P0.23 W/m C的材料称为 绝热材料。材料名称导热系数A/(W/(m-K)密 W pKkfdm)pl XP卜、Q 入）r.2252.72X 10112.101.0*3818 97X 10、23.551 95横151 76 x 1011.IS0.92tti合金1562.66x10517.041.42 钢557.85X 101142

6、.7311.79不傍钢147.85X 2560.7146.34A热注密反足指単位时间内通过F|M立面积的热流量成为热流密度。对傅立叶定律在-维导热条件卜枳分，可得： Q = 由此可側导热热阻计算公式为：尺=2 K/W热吊在热流路径卜.遇到的阻力反映介质或介质间的传热能力的人小，衣明了 1W热量所引起的脇升人小，单位为f/W或K/W.用热功耗乘以热W 即町获得该传热路径上的从肌 4 以用一个简单的类比來解释热阻的总义.换热虽相勺于电流， 温差相当于电压,则热阻相当于电阻。热传导热阻Rj 芒片的热源纟占(junction)到删国冷却玄气(ambient)的总热 阳.乘以苴发热暈即获得器件温升。热阻

7、Rjc：芒片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热蚩即获得结与壳的温屋。热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热屋即获得结 与单板间的温差。热传导单-层半壁导热单肚圆简壁导热名层平曜导热多层闘筒壁导热At1热传导接触热阻两个名义上和接触的固体左面， 实际上按触仅发生件一些离散的面积 元卜，如右图所示，在未接触的界面 之间的间隙中常充满了空气.热星将 以导热和辐射的方式穿过该间隙层， 与理想中真正完全接触相比，这种附 加的热传递阻力称为接触热阻。降低 搖触热阻的方法主耍是增加接紋压力 和增加界面材料（如硅脂）填充界面 间的空气.在涉及热传导时.一定不 能忽视接触热阻的影响，需

8、耍根期应 月牯况选择合适的导热界面材料，如 导热脂、导热膜、导热举等.丄 2戚10 = In互打 * Hl f wil狎耳XIrdV 1 ln导热介质导热材料分类:为涡足不同场舍的散热雋求目前很參导也材料丿隶开发种轩 的IWB导热村*1恨1K界曲导対材料的厂nJ以大致力为以卜儿如Sn/Pb焊科等（硅）脂类导热硅橡狡类.如导热垫写水类.如315胶等导热粘性模（带）类和变导热材料类混合物类（compounds）导热绝缘垫片（无弹性）等笹。导热介质导热脂常由复合型导热固体填料.离温合成油（基础汕如 硅油并加有稳定剂和改性添加剂调配內成的均 匀旁状物质，常用的导热脂为口色，也冇灰色或金 色的导热脂等颜

9、色。导热额粒通常來用氧化锌、氧 化铝、氮化硼.氧化银、银粉、铜粉等。特点：1）为最常见的界面导轉材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。2）用于散热器和器件之间.散热器采用机城面持.最主要的优点为维修方便z 价格便宜.3）因可很好的润湿散热器和器件表面.減小接触热阻.所以其导热热阻很 小.适合大功率器件的敵热.4）使用时需要印刷或点涂，燥作费时，工艺控制要求较高.难度大导热介质导热脂导热脂厚度与性能的关系热阳与硅脂归度的关系图 殳与组装压力的*系图结论，厚度越薄.热阻越小.因此使用时要控制厚度导热介质导热脂使用方法导热琏脂使用WL需要用干布沾酒精进行先将件、散热丧面援洗干净.4热硅討嘤求M片笹印刷

10、!.!：IfjilHh的11刷純加.如卜图所小.盯根抵实如业板布用悄况灵活选蜂印刷在熔件或敕热烽1一卬刷在器件上TTTTT采用工装进行琏脂印剧时.需要对印剧面枳进行控制.导热肚脂印刷涂面积擅荐占群件与散热a总接触（H积的70%80%.嫂硅脂叭：卩駢最小厚度为0.08mm,推挣印刷工裝的制网厚度采用008 0.12mm； 対i-1-1/111*1较签的装配.可适与增加钢MJV吆时于1法牀坤脂的陆件弊求硅叭烬叩他 1）导热硅脂本身長绝缘介质，但是由于斷加的层难以堆免13体凸点的犊th M 常儒更绝维的地方不能使用导热莊脂 2）为获得较好的接融性能，安装时疇要一定的累固力（5psi）. 3）硅脂在使

11、用时会有硅油港出，造成硅油汚染.不适合周aWWBM点的縫电的场含.我公司现有导热硅脂5?号我可炳4*(W/ink)工作砂t ORflt)北京黄宝T-5O10401001710.78560200其他一些常用导热硅脂supplier型号我司编号W/mk)35 mm x水倍计(RMB)DOWCORNlNCiDCZK40.55-0.60.1LMlWCOKNINCiSI.44MX V1.70.6-1.SGE TOSIUBAT1Q2D0020.8-1.5GF-TOSinB11X400043-4lX)WCOKINee C*M I压缩时大.最终厚度越小.热阻越小导热介质相变导热膜相变层与导热层酸体（玻璃纤维/

12、铝洎. 我没有箴体导热介质导热垫我公司现有的导热硅胶垫：号RwjMn(W/mk)尺寸川肩SPE2-4O BK10401000291.24m 厚;30.5mm x 30.5mm; 色貝川啊技SPE2 25 BK10401000301.22.5mm*;23.5mmx 17.5mmi 色臭川!（SPE2-1O BK10401000311.21 mm*; 13nmi x 18mni;*6演和料技KIOOO10812010321lmmAh 200inm*400mm 9.15 氏1550敖色对导热垫的性能要求和主要检测项目:1）导热系数和热阻：热性能满足要求2）谀心蚀丨M料3）绝缘件能：嘤求耐压満足产品需

13、求（一般3KV）4）阳燃：建求材料阳燃级别达到VI及以匕功能特点1）兵令一定的相变温度；一般在4070度之何.2）便川则希喪机械囚宦，般需实现520psi的界血压力，3）热阻垠低可以达到0.01X?.ln2/W，适介用于人功率签件的界面导热.4）材料用度一股任3-5milZ何，5）可分为绝线型和卜绝绿型两大类.绝绿型的叫以使用片需要绝绿的场所.导热介质相变导热膜相变导热Bt的优点：可根据安装味境.制齐成介适的尺寸. 用率商组装成本较低：多为心幼及H改性村*1.坏保无污染，兵有较低的仪阻相变特rt尅变仕、 猎性.可以适介于竹绝缘藝求的界面。疗度-定.热阻町控性好。相变导热战的缺点：无粘结作用、驚

14、机械固持*使用过钾中需发牛相变方町很好的润湿界面.便干安装.效率和利满足环护耍求： 优艮的润湃仕：绝缘样胡示例导热介质导热垫伙用不他产AA型号厂宣相变温度 (忙)材料热宙 (Cinch2 W)合适安装压 力 Gpsi)址燃性佬缘观度IIF625Bcrgquls (650.711()2QpGVO5(XX) VacHF300PBcrgquis t550.13IO20puVO4000 VacTp)n-k52l.arid520.151020pMVO78OOVc绝缘型相变膜的关键性能特点产M型号厂家相变岂度 (V)材料热IS (rinch-/W)nitth介适安装爪力1IF22SUBcrgqusit55

15、0.08VQS20pyiTgon-AI52.arid520.03VO5 20psiTpcm-905cLa rid50-700.04801020问T557Chonierics43/650.010VO1020psi|非绘塚型相变膜的关僂性能待点导热介质导热双面胶带定义:是胶粘剂中厂I仏y仁#热IMtK站刊填料的枚液涂于基材上.形成双面胶帝状的界洞导热 材料双面胶带叫分为涪刑活化型.加热型和压敏型 导热収面胶帶绝人部分坊于乐嫩胶粘常.组成：压敏胶粘剂、基材、底层处理剂、背面处 理刑和隔厲纸主要特点， K町根铭界面形状灵活制备齐种彤状 2.具有牧处的粘他力.某些场合卜可以取代嫖钉固定 3.导热系数 般

16、较低.多用于小功率器件 4.抹作力便简单导热介质导热双面胶带导热双面胶带的应用流程和雯求：便用片丙Bffl洗待粘结面（敵热SJ和友热1件）揭去导热取面胶帯一面的 隔离纸梅导热克面胶带贴于散热 器上.保证良好接M.掲去另一层隔离最将散热贴于发热卷件 上在敵热粉上施10-I5psi 压力，施加时WI5S应用耍求：1, 待結结的龙血必须iU T .于修度小0025mm/mm。2、为提局帖站的可矗件需増加其他简易轴助固定措緘准蚊弗诺数:雷诺数是流体力学中表征粘性形响的相似准则数普朗特数诺t 营通畑飞机：5000 000 小塑无人机：400 000 1A： 100 000 冷科峻tW： 7000光滑管道

17、I 2320 大硝中的血滾涼,100 主动昧中的血谎1000普湖特数是由流体物性参数组成的一个无因次数.表明温度边界层和流动边界层的 关系.反映流体物理性质对对流传热过稈的形晌格拉晓夫数:L ty讹I寸m ； u一一m/s：它反映自然对流程度的特征数当格拉晓夫数相当大, 约Gr10E9时，自然对流边界层就会失去稳定而从层 流状态转变为紊流状态.所以格拉晓夫数Gr在自然对 流过程中的作用相当于西诺数Re在受迫对流过程中的 作用.其大小能确定边界层的流动状卞.cp一一 tt.MrW kJ/(kg K)|y动力耳勺叹Po*s：A导总V条数.W/(m KV体购胀集敎9 一一 4t力丿人堆変AT说体W付

18、的It中Q为对流换热系数.单位W/(m2K).衣征了换热表而的平均对流换 热能力。A为参与热交换的仃效面枳，为衣面温度b流体温度Z星。D 1由牛顿公式町得对流换热热阻计算公式为：&=一：自然对流换热系数在l10W/(m2K)量级实际应用时般不会超过3-5 W/(m2 K):强制对流换热系数在107 00 W/(m2K)屋级，实际应 用时一般:不会趙过30 W/(m2-K) o儿个准则数的计外公式及 WI!.义: 努塞尔数：皿二鲨换如足流体力学中的一个无it纲效，足表示对流换热滋烈程度的 又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比式中；e 一物体的表面黑度； 0 斯蒂芬一玻尔兹曼常数，5.6

19、7X 10* V/(m2 K4)：A 辐射表面积，m2：T 物体表面的热力学温度.Ke镜休足指反射比P的物体绝对透明体是指穿透比T= 1的物体 体是常吸收比a=l的物体。物体衣面的辎射计算是及其复杂的其屮ki M单的足两个面 枳相同M正对若的农面间的辐紂换热/汁算公式：Q=A*5.67e-8/(l/ e h+l/ e c-l)*(Th4-Tc4)公式中T指的足物体的绝対温度值=摄氏温度(S + 273.15： e足表面的黑度或发 射率，该值取决丁物硕种类，衣面温度和农面状况.与外界条件无关，也与颜色 无关.濟光的铝农而的讯度为004,氧化的铝表而的煦度为0.3油漆农而的黑度 达到0.8.雪的照

20、度为0.8。塑料外壳表血喷漆.PVB表向会涂敷绿油.衣面豐度都可以达到0.8,这些都有利J：辐射散热。对J：金屈外咗，可以进行一些表|佰处理 來提高黑度，强化散热。对辐射散热一个晟大错课认识是认为然色可以强化热辅射，通常散 热器表面黑色处理也助长了这种认识。实附卜.物体温度低于ixoo-c时， 何点义的热辐射波氏位j 0.38-100umZ间，且大部分能匾位红外波 段0.7620um范围内，在町见光波段内，热轮射能鼠比巫并不大。颜色 只与町见光吸收相关.与红外佃対无关.夏大人们穿浅色的衣眼降低太电子设备冷却方法的选择空r.冶日 E W/m v（TK IOCW/cm1 大HQ“）丹为45：OOi

21、fi用TStfAS元内K的冷E为时冷法流和功度 升-C种方热度积密 淙40各却的密休率值0b62-64 20 642 IM电子设备冷却方法的选择冷却方法换热系数 W/ （六）麦面热流密度N/cE空气自然对流6 160.024-0.064水白然对流230-5800.9 2.3空气强制对流（风冷）25 1500.1-0.6汕强制对流（油冷）60-50000.24-20水强制对流（水冷）3500-1100014-44水沸腾（蒸发冷却）报大54000SA1351)水蒸气唳状凝结11000- 260002.6-112)何机液蒸汽腮状凝结1800- 38000.38 I1）耳快熱&而和介履的湖移为251

22、II X2）半廉过左而和介顺们矗耳为1、10C时。电r设备中常用的冷却方法陡据到的对流换热系数及玄血;映沆密度値 如卜衣所示：电子设备冷却方法的选择冷却方法对根据热流密度和温升要求.按照卜阿关系进行雄择 这种方 決适用于温升哽求不同的乞类设条由此图可知当元件表面9 坏境之间的允许温基丁为60 匸时.空气的自然对流（包 括辐射）仅对热流密度低于 0.05W/cm2时右效强迫风 冷可便衣啲对流换热系数人 约提髙一个数最级，如在允 许温差为100 9时.风冷最 大可能捉fmw/cm2的传热 能力。电子设备冷却方法的选择/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

23、。/利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制.热辐射换热则 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“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 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 “强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。“热管的传热性能比相同的金属导热耍高几十倍.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电子设备冷却方法的选择功耗为300W的电子组件，拟将共装在个248mm X 381 mm X432mm的机柜里，放在正常室温的空

24、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？= 735OFF/w V 0.248x0381x0.432300体积功率密度： =-=执流密度. =八八 *2 x (0.248 x 0.381 + 0.248 x 0.432 + 0381 x 0.432)= 410/m2由叭，很小，向p值与图表中空气口然冷却的虽大热流密度 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。由图表可知.若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m因 此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到（MnP （自然冷却所 需的面积为0.75m2） o电子设备自然冷却为了说明机壳

25、结构对电子设备温度的影响.可以通过下图所示的试验装 置的试验加以说明。其中热源为80W.位于试验装置的中心位置.机壳 用各种不同结构形式的铝板制成，进行任意组合，可满足不同结构形式 的團要.试验装置404*304*324mmop- 1K AtfCDrHjr1外上比严決誉无先，外乂盘对2021163ISlKISIw2IKIS13121X52J423內代称外丁严N16uU1311-3iurM424外并外AKJRA. ASX*K10271r5勺表页乂4,升处吋19IN S19MIIJ19696祈w并斤内”!吗祈厦)51412II)010191392T并鼻內外1HW*外斤興片白时W11512096$9

26、45130ISS林内外表百5R燮. 収汗小？1. W?FIT叶左t)MIB 斓加机壳内外表向的羔度.开通风孔弄.都能降低电子元2S件的温度。 叱较试脸2和试脸&机处内外検面离SR/的故耕效果比低盘度开通风孔的敵热效果也 以试*H为廉孤 内外表内那平均温厘降低的20匸，而低出度仃通风孔时 性度只狂低x(r一亠 巩壳的侧均为岛黑度的散热效果优于只的散拔效果.捉高外表曲的專 u足对机a .fii温滾I n勺n力法- 机尢内外視面增加怎度的基他丄，合理地改进通风览构加强冷妊空V的对淹.可 以明金尢降低没希内部的ifl度-电子设备自然冷却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就在工程上可以近似用下面的公式来估算