关于EMC热和结构问题

1、1. 目的：用合适成本实现顾客接受的功能。 2. 涉及专业及过程：市场、ID美工、电子、质量安全、生产、销售、 售后、环保回收。（除电子软件的所有） 3. 方法：材料和形状（大部分人的理解） 4. 分类：塑胶、钣金、机械加工、机构、包装、受力和热分析计算、 光学机构。 5. 重点：材料和表面处理、塑胶钣金工艺。 6. 难点：“度”的艺术，逼近限制边缘时每个方面都是难点，主要： ID约束、加工工艺、误差控制、受力控制、成本控制。 1. 来源：电压电流变化电磁能量发射。 2. 途径：辐射和传导。 3. 措施：空间分离、屏蔽、滤波和接地。 4. 目标：抑制、隔离和低敏感。 1. 高频、大功率板和低频

2、（模拟）、小信号板分开。 2. 高频线和低频（模拟）线不要并行。可垂直交叉。 3. 用接地的金属分隔、分层。 1. 连续的导电体+良好的接地 2. 材料：金属板网箔、导电涂层、镀层，频率影响。 3. 开口处理：任一频率电磁波的波长为: 波长()=光速/频率(Hz) 当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频 (1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF 发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频 率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑 一次及二次谐波即可。 一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出

3、屏蔽罩的 最大允许缝隙和沟槽。例，如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射 衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于 150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若 需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减 26dB时，缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时， 缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。 1. 材料：导电布、铜箔、铝箔；导电泡棉；金属簧片；导电橡胶 2. 电阻率和压力、变形量（30%70%） 3. 电化学稳定性，一般电位差0.3V 4. 可靠性：固定、磨损

4、、氧化、回弹压力 5. 防火，UL 衬垫在推荐压缩量时所需的压力 类 型 压力（磅/ 英尺） 压缩比 （%） 导电布 FOF4.83 good30 铍铜指形簧片 (Be Cu) 20.00 good30 不锈钢50.0030 蒙乃尔金属丝网 (橡胶管芯) 42.0030 蒙乃尔金属丝网 （发泡芯） 49.5030 D形橡胶条7.50 good30 受正压力 受单剪切 力 受单剪切力/倒 沟 受90压力双向受的剪切 力 1. 尺寸增加，功率增加，热流密度上升。 2. 增强可靠性；PNP130和25失效相差6倍 3. 小型化、薄型化、LED等 1. 满足各组件可靠性要求：器件，电源组件，机芯等 2

5、. 环境要求：使用温度、灰尘影响、噪音、日晒等。 3. 结构限制要求：高度，位置 允许一定的温升，但局部不能过热 1.1. 热流量热流量对应电流，温差温差对应电压，热阻热阻对应电阻，热沉热沉等效于接 地。热导热导对应为电导，恒温热源恒温热源等效于理想的恒压源，恒定的热恒定的热 流源流源等效为理想的电流源。可以计算传导、对流、辐射的热问题。 2. 温差（C） = 热阻 （ C /W） 功耗（W） 3. 例：芯片功耗： 20瓦，芯片表面不能超过的最高温度： 85， 环境温度（最高）： 55。计算所需散热器的热阻。 （R + 0.1） 20W = 85 - 55（实际散热器与芯片之间 的热阻很小，取

6、01/W作为近似。） 得到 R = 1.4 /W，即只有当散热器的热阻小于1.4/W时 才能保证芯片表面温度不会超过85。 1. Q = K*A*T/L Q：传热量（W）；K：材料的导热系数；A：导热接触面积；L：长度 2. Q /A= T/（L/K) 1/K：某材料单位长度、单位面积的热阻。 3. 材料越长，热阻越大；截面越大，热阻越小；导热系数高，热阻越小。 纯铜396.4;纯铝240;人皮肤0.38；空气0.023W/mk 4. 接触热阻：增加压力，增加表面精度、光洁度，软材料，增加导热硅脂。 接触缝隙内是真空或空气时，接触热阻会显著增大。 表面状况表面状况 接触热阻接触热阻 104/(

7、m2K/W) 金属金属 与与 金属金属 干干 接接 触触 高高3.55 中（平均中（平均） 2.58 低低0.90 涂涂 硅硅 脂脂 高高2.32 中（平均中（平均） 1.29 低低0.48 导导 热热 衬衬 垫垫 高高1.10 中（平均中（平均） 0.65 低低0.32 垫铟垫铟片片 (厚厚0.005mm) 干干 接接 触触 高高0.58 中（平均中（平均） 0.45 低低0.32 垫云母片垫云母片 ( (厚厚0.020.02 0.03mm) 0.03mm) 干干 接接 触触 高高11.29 中（平均中（平均） 7.74 低低3.87 硅硅 脂脂 高高6.45 中（平均中（平均） 3.87

8、低低1.94 垫氧化铍垫氧化铍 ( (厚厚0.020.02 0.062mm) 0.062mm) 干接触干接触 2.0 垫铟铂垫铟铂 0.90 灌环氧树脂灌环氧树脂 0.71 接触面性接触面性 质质 导热系数导热系数 /W/ (mK) 间隙厚度间隙厚度 /mm 单位接触热阻单位接触热阻 /(m2K/W) 软钎焊软钎焊62.99 0.127 4.65 环氧树脂环氧树脂0.197 0.127 1550 粘胶粘胶0.197 0.0254 310 灌注环氧灌注环氧 树脂树脂 0.984 0.127 310 功率器件安装于散热器上的接触热阻功率器件安装于散热器上的接触热阻 强制对流换热强制对流换热散热器与

9、空气之间的热阻散热器与空气之间的热阻 风速（英尺/秒） 热阻（/W） 03.5 1002.8 2002.3 3002.0 4001.8 1. = hcA(tw tf) 式中：hc 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，。 2. 自然对流： 对于小于600mm电子设备，上式可以简化为： = / A = 2.5Ct1.25 / D0.25 式中： 热流密度，W/m2； A 换热面积，m2； C 系数，由下表查得； D 特征尺寸，m； t 换热表面与流体（空气）的温差，。 3. 强制对流换热系数 h=Nu* /D, Nu计算见下表紊流 其

10、中Re=uD/ 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。 1.真空中辐射以电磁波形式传播 =A0T4 式中： 物体的表面黑度； 0 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)； A 辐射表面积，m2；T 物体表面的热力学温度，K。 2.黑度：物体吸收热的能力，不是颜色，与材料表面状态有关，比如雪。 3.0K以上即可传播热量，温度高时，传热量急剧增加。 4.物体的辐射力越大，吸收力也越大，善于发射的物体也善于吸收。 5.低温辐射红外线，高温辐射可见光。太阳光有46%能量是可见光，物体颜色对其吸收 有强烈选择性，比如白衣服。

11、选择性表面吸收涂层，吸收率0.9，发射率0.1（太阳能 热水器）；选择性反射涂层，建筑物节能及军事 6.温差不大的情况下， 采用强制对流换热时可不考虑辐射换热。 1.1. 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm0.039W/cm2 2，可，可 采用自然风冷。采用自然风冷。 2.2. 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm0.024W/cm2 2， 可采用自然风冷。可采用自然风冷。 3.3. 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于通风条件较好的场

12、合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm0.039W/cm2 2而小于而小于 0.078W/cm0.078W/cm2 2，必须采用强迫风冷。，必须采用强迫风冷。 4.4. 通风条件较恶劣的场合通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大散热器表面的热流密度大于0.024W/cm0.024W/cm2 2而小而小 于于0.078W/cm0.078W/cm2 2，必须采用强迫风冷。，必须采用强迫风冷。 1.1. 包络体积包络体积：包络体积即散热器所占的总体体积，如图所示。散热功率包络体积即散热器所占的总体体积，如图所示。散热功率 越大，则包络体积越大。越大，则包络体积越大。 logV = 1

13、.4 logQ 0.8 (Min 1.5cm ) 式中：式中：QQ散热器总耗散功率，散热器总耗散功率，W W； VV散热器包络体积，散热器包络体积，cmcm3 3。 2.2. 散热器基板厚度散热器基板厚度：基板厚度对肋片的散热效率有很大影响。良好的基基板厚度对肋片的散热效率有很大影响。良好的基 板厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部分变薄，如此可使散热器由板厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部分变薄，如此可使散热器由 热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。 散热功率和基板厚度之间的关系如下散热功率和基板厚度之间的关系如下 t = 7 logQ

14、6 (Min 2mm) 3.3. 肋片形状肋片形状 间距：自然对流间距：自然对流4mm4mm以上，一般以上，一般6mm6mm 高度：间距高度：间距/ /高度高度=1.2=1.2 材料：一般用铝，表面可黑度处理。材料：一般用铝，表面可黑度处理。 肋片肋片横切增加气流扰动或针状横切增加气流扰动或针状肋片肋片。 中心部 分厚 热源向边缘减薄 温升为温升为4040时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如下下图图 温升要求不同的各类设备的冷却按下图关系进行选择。温升要求不同的各类设备的冷却按下图关系进行选择。 常用冷却技术单位面积最大功耗常用冷却技术单位面

15、积最大功耗 冷却技术冷却技术单位传热面积的最大单位传热面积的最大功耗功耗W/mW/m2 2 与环境空气的自然对流和向周围的与环境空气的自然对流和向周围的辐射辐射800 直接气冷（强迫风冷直接气冷（强迫风冷）3 000 空气冷却板空气冷却板16 000 与液体的自由对流与液体的自由对流500 1) 液体冷却液体冷却160 000 冷板蒸发冷却冷板蒸发冷却5107 1) 1) 表面和液体之间每度温差。表面和液体之间每度温差。 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？

16、 体积功率密度： V = /V= 300/(0.248 0.381 0.432 ) = 7350W/m 3 热流密度： = 300/(2 (0.248 0.381 + 0.248 0.432 + 0.381 0.432) )= 410W/m2 由于V很小，而值与上图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。 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）。 1. 长的功率元件要横向安装，功率元件相距6mm以内，会互相加热，横竖 已没有影响。 2. 高温

17、元件要与低温元件分开或用热屏蔽板隔离（抛光金属），单独散热 3. 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。 4. 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： 1. 外层导体电流可为内层2倍 2. PCB内层在法向与平行方向的导热性能差异较大，通常平行方向的导热 能

18、力要强于法向方向。 3. 陶瓷材料PCB的导热能力比金属低，但比树脂材料高两位数。 4. 金属化过孔提高PCB的法向传热能力，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。 5. 耐热性差或不发热的器件（IC、晶体管、电容器等）放置于冷风侧；将 耐热性好或发热器件（如电阻、变压器）放置于热风处。 6. 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。 7. 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，因此图风的凸起物，因此图(b) (b) 的温度较低。在强迫风冷时，由于可以得到强的温度较低。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