热设计讲座2010

1、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：n体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升n热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容n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第一章 电子设备热设计要求电子设备热设计要求第二章第二章 电子设备热分析方法电子设备热分析方法第三章第三章 冷却方法的选择冷却方法的选择第四章第四章 电子元器件的热特性电子元器件的热特性第五章第五章 电子设备的自然冷却设计电子设备的自然冷却设计第六章第六章 电子设备用肋片式散热器电子设备用肋片式散热器第七章第七章 电子设备强迫空气冷却设计电子设备强迫空气冷却设计课程具

2、体章节第八章第八章 电子设备用冷板设计电子设备用冷板设计第九章第九章 热电制冷器热电制冷器第十章第十章 热管散热器的设计热管散热器的设计第十一章第十一章 电子设备的热性能评价电子设备的热性能评价第十二章第十二章 计算流体及传热分析计算流体及传热分析第十三章第十三章 热设计实例热设计实例第一章 电子设备热设计要求1.1 热设计基本要求热设计基本要求1.2 热设计应考虑的问题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、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

3、应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减热或机械应力）。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。如硅可靠性。如硅PNPPNP型晶体管，其电应力比为型晶体管，其电应力比为0.30.3时，高温时，高温130130的基的基本失效率为本失效率为13.913.91010-6-6h h-1-1，而在，而在2525时的基本失效率为时的基本失效率为2.252.251010- -6 6h h-1-1，高低温失效率之比为，高低温失效率之比为6:16:1。冷却系统的设计必须在预期的热。冷却系统的设计

4、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。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，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。功耗。对于大部分电子器件，失效率和温度之间的关系为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

5、预期工作的热环境的要求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：电子设备预期工作的热环境包括：u环境温度和压力（或高度）的极限值环境温度和压力（或高度）的极限值u环境温度和压力（或高度）的变化率环境温度和压力（或高度）的变化率u太阳或周围其它物体的辐射热载荷太阳或周围其它物体的辐射热载荷u可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）力和湿度等）u冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降表表1-1 1-1 空中、地面和海面典型的热环境空中、地面和海面典型的热环境应用分类应用分类部位或工作状态部位

6、或工作状态非工作状态的环非工作状态的环境温度境温度工作状态的环境工作状态的环境温度温度最大的温度变最大的温度变化率化率/min/min飞机飞机雷达天线罩雷达天线罩外部设备架外部设备架 座仓座仓5795579554715410054710322020未规定未规定导弹导弹 静态飞行静态飞行 动态飞行动态飞行5495未规定未规定5411354*40宇宙飞船宇宙飞船 发射台发射台沿轨道飞行沿轨道飞行30675040未规定未规定040未规定未规定未规定未规定地面固定地面固定无空调室内无空调室内有空调室内有空调室内5768576810401025很慢很慢很慢很慢地面运动地面运动57684055一般一般舰艇

7、舰艇外部固定外部固定内部固定内部固定内部固定有空调内部固定有空调51715171517135480501050很慢很慢很慢很慢很慢很慢* 导弹的环境温度是散热器的温度导弹的环境温度是散热器的温度 * 宇宙飞行器的温度是固定电子器件的表面温度宇宙飞行器的温度是固定电子器件的表面温度 * 根据导弹根据导弹的功能而决定的功能而决定表表1-2 MIL-E-54001-2 MIL-E-5400中各级设备的环境条件中各级设备的环境条件设备设备等级等级设备运转设备运转设备运转和设备运转和设备不运转设备不运转设备不运转设备不运转无空调的室内温度范围无空调的室内温度范围温度冲击温度冲击 连续连续 间断间断(30

8、min) 短时短时(10min) 海拔海拔 m温度范围温度范围 温度冲击温度冲击 1级级545571547115240578557851A级级54557154719144*578557851B级级40557140714572*578557852级级547195549521336579557953级级5495125150541253048054125541254级级54125150260541503048057150571505级级549512512554125696005712557125* 给出的海拔高度范围只对运转情况有影响，给出的海拔高度范围只对运转情况有影响，1A和和1B级设备将经受级

9、设备将经受12 192m海拔高度的试验海拔高度的试验* 在海拔高度在海拔高度30 480以上时，设备环境温度将不超过以上时，设备环境温度将不超过71，这意味着热传导和对流都很困难了，这意味着热传导和对流都很困难了表表1-3 1-3 在在AR70-38AR70-38中的温度范围中的温度范围参数参数工作条件工作条件贮存和运输条件贮存和运输条件气候气候分类分类日常循环日常循环空气温度范空气温度范围围 太阳辐射太阳辐射 W/m2空气温度空气温度 热热(低纬度沙低纬度沙漠漠)热热干旱干旱3249011203371热热潮湿潮湿3141010803371温暖温暖（潮湿的热（潮湿的热带、中纬度带、中纬度居民密

10、集区居民密集区和工业区）和工业区）常热潮湿常热潮湿 近似不变近似不变24可以忽略可以忽略接近常数接近常数27变热潮湿变热潮湿263509703063温暖潮湿温暖潮湿3043011203063冷冷一般冷一般冷2132可以忽略可以忽略2533冷冷3746可以忽略可以忽略3746很冷很冷(北半球北半球)很冷很冷51可以忽略可以忽略51（61）可以忽略可以忽略61 热设计应满足对冷却系统的限制要求热设计应满足对冷却系统的限制要求u供冷却系统使用的电源的限制（交流或供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率）直流及功率）u对强迫冷却设备的振动和噪声的限制对强迫冷却设备的振动和噪声的限制u对强迫空气冷却

11、设备的空气出口温度的对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制限制u对冷却系统的结构限制（包括安装条件、对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）密封、体积和重量等） 热设计应符合与其相关的标准、规范规热设计应符合与其相关的标准、规范规 定的要求定的要求第一章 电子设备热设计要求1.1 热设计基本要求热设计基本要求1.2 热设计应考虑的问题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，提高设备的热设计必须与维修性设计相结合

12、，提高设备的可维修性可维修性设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某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有相应的防护措施

13、应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒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生腐

14、蚀和其它化学反应第一章 电子设备热设计要求1.1 热设计基本要求热设计基本要求1.2 热设计应考虑的问题热设计应考虑的问题课程具体章节第一章第一章 电子设备热设计要求电子设备热设计要求第二章第二章 电子设备热分析方法电子设备热分析方法第三章第三章 冷却方法的选择冷却方法的选择第四章第四章 电子元器件的热特性电子元器件的热特性第五章第五章 电子设备的自然冷却设计电子设备的自然冷却设计第六章第六章 电子设备用肋片式散热器电子设备用肋片式散热器第七章第七章 电子设备强迫空气冷却设计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 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准

15、则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模拟2.5 热设计步骤热设计步骤2.1 热分析的基本问题 热分析的两个基本目的：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；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。使热设计最优化，以提高可靠性。表表2-1 2-1 为热分析提供详细的信息为热分析提供详细的信息器件器件预计故障率预计故障率(1/106h)预计的温度预计的温度 U20.05360.9U40.05260.3U60.03561.9VR10.00965.9 热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数热流量、热阻和温度是热设计中的重要参

16、数热阻的定义：热阻的定义： /ttRW 热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每种传热形热流量是以导热、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式所传递热量与其热阻成反比 热分析的两种主要热分析的两种主要方法：方法： 基于实验测试的基于实验测试的准则方程法；准则方程法； 数值传热计算法。数值传热计算法。 电子设备方案设计电子设备方案设计的各阶段都需做热的各阶段都需做热分析，并随着设计分析，并随着设计的进展要求的细微的进展要求的细微程度也随之增加，程度也随之增加，如表如表2-2所示。所示。参数参数设计方案选设计方案选择阶段择阶段设计构思阶段设计构思阶段具体设计准备具体设计准备决

17、断决断器件功耗器件功耗初步确定器初步确定器件数；功耗件数；功耗估算估算最后确定器件最后确定器件数；功耗初步数；功耗初步估算估算最后确定器件最后确定器件数；最后确定数；最后确定器件功耗器件功耗热阻热阻需要的信息需要的信息很少很少初步绘图；分初步绘图；分析或测试析或测试详细绘图；分详细绘图；分析和测试析和测试散热器温度散热器温度粗略估算粗略估算更精确的计算更精确的计算最后计算最后计算过热器件过热器件粗略估计粗略估计确定器件，拟确定器件，拟定解决方法定解决方法所有器件都需所有器件都需满足要求满足要求热分析等级热分析等级初步初步较细致较细致细致细致 表表2-2 2-2 各预计方案热分析的等级各预计方案

18、热分析的等级第二章 电子设备热分析方法2.1 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模拟2.5 热设计步骤热设计步骤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：传热的基本计算公式为：A t 式中：式中： 热流量，热流量，W； 总传热系数，总传热系数，W/(m2)； A 传热面积，传热面积，m2； t 热流体与冷流体之间的温差，热流体与冷流体之间的温差，。 热量传递的三种基本方式

19、：导热、对流和辐射热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射一、导热一、导热导热的微观机理导热的微观机理 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。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。导热基本定律导热基本定律傅立叶定律傅立叶定律tAx 式中：式中： 热流量，热流量，W； 导热系数，导热系数，W/(m)； A 垂直于热流方向的横截面面积，垂直于热流方向

20、的横截面面积，m2； x方向的温度变化率，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。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。 / tx导热热阻导热热阻 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：单层平壁和单层圆筒壁导热热阻的计算式为： /WtRA平壁导热热阻：平壁导热热阻：圆筒壁导热热阻：圆筒壁导热热阻：211ln /W2rRLr式中：式中： 平壁厚度，平壁厚度，m； L 圆筒壁长度，圆筒壁长度， m ； r2 圆筒壁外径，圆筒壁外径， m ； r1 圆筒壁内径，圆

21、筒壁内径， m 。减小导热热阻的方法减小导热热阻的方法1. 缩短路径缩短路径 2. 增大面积增大面积 3. 提高导热系数提高导热系数二、对流二、对流可分为自然对流和强迫对流两大类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对流换热采用牛顿冷却公式计算()wfhA tt 式中：式中： h 对流换热系数，对流换热系数，W/(m2)； A 对流换热面积，对流换热面积，m2； tw 热表面温度，热表面温度，； tf 冷却流体温度，冷却流体温度，。 对流换热热阻对流换热热阻1 /WtRhA对流热阻：对流热阻：减小自然对流热阻的措施减小自然对流热阻的措施1. 流体所占的空间尽量大，如露天工作

22、；流体所占的空间尽量大，如露天工作； 2. 传热表面尽量多地垂直于水平面；传热表面尽量多地垂直于水平面；3. 垂直方向的传热表面高度尺寸要小；垂直方向的传热表面高度尺寸要小；4. 若传热表面必须是水平的，则应在机壳上方；若传热表面必须是水平的，则应在机壳上方；5. 传热面积要大，表面要光。传热面积要大，表面要光。减小强迫对流热阻的措施减小强迫对流热阻的措施1. 液体较气体好；液体较气体好； 2. 高流速；高流速；3. 不平或带槽的表面；不平或带槽的表面；4. 大面积。大面积。三、辐射三、辐射 辐射能以电磁波的形式传递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任意物体的辐射能力可用

23、下式计算40AT 式中：式中： 物体的表面黑度（表面辐射率）；物体的表面黑度（表面辐射率）； 0 斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)； A 辐射表面积，辐射表面积，m2； T 物体表面的热力学温度，物体表面的热力学温度，K。 减小辐射热阻的措施减小辐射热阻的措施1. 表面辐射率要高；表面辐射率要高； 2. 辐射体与吸收体之间要无障碍；辐射体与吸收体之间要无障碍；3. 辐射面积要大。辐射面积要大。第二章 电子设备热分析方法2.1 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模拟2.5 热设计步

24、骤热设计步骤2.3 换热计算一、自然对流换热的准则方程一、自然对流换热的准则方程nNuCRa式中：式中：Nu 努谢尔特数，努谢尔特数，Nu=hD/； Ra 瑞利数，瑞利数，Ra=GrPr； Gr 格拉晓夫数，格拉晓夫数，Gr=g2D3t/2； Pr 普朗特数；普朗特数； C、n 由表由表2-3查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；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，自然对流换热系数， W/(m2)； D 特征尺寸，特征尺寸， m； 流体的导热系数，流体的导热系数， W/(m)； 流体的体积膨胀系数，流体的体积膨胀系数， -1； g 重力加速度，重力

25、加速度， m/s2； 流体的密度，流体的密度， kg/m3； 流体的动力粘度，流体的动力粘度， Pas； t 换热表面与流体的温差，换热表面与流体的温差， 。 表表2-3 自然对流准则方程中的自然对流准则方程中的C和和n值值加热表面形加热表面形状与位置状与位置图示图示系数系数C及指数及指数n特征尺寸特征尺寸Ra范围范围流态流态Cn竖平板竖平板与与竖圆柱竖圆柱层流层流紊流紊流0.590.121/41/3高度高度H1041091091012横圆柱横圆柱层流层流紊流紊流0.530.131/41/3外径外径d1041091091012水平板热面水平板热面朝上朝上层流层流紊流紊流0.540.141/41

26、/3正方形取边长；正方形取边长；长方形取两边长方形取两边平均值；平均值；狭长条取短边；狭长条取短边；圆盘取圆盘取0.9d（d为圆盘直径）为圆盘直径）1052107210731010水平板热面水平板热面朝下朝下层流层流0.271/4310531010表表2-4 自然对流换热表面传热系数计算公式自然对流换热表面传热系数计算公式表面形状及位置表面形状及位置自然对流换热表面传热系数自然对流换热表面传热系数层流层流GrPr=104109紊流紊流GrPr=1091013特征尺寸特征尺寸 竖直平壁或圆柱竖直平壁或圆柱高度高度H 水平圆柱水平圆柱外径外径d 水平壁热面向上水平壁热面向上正方形为边长；长方形为两

27、正方形为边长；长方形为两边长的平均值；不对称平面边长的平均值；不对称平面为为lA/U（A为面积，为面积，U为为表面周长）；圆盘为表面周长）；圆盘为0.9d 水平壁热面向下水平壁热面向下 圆球圆球直径直径d 小部件及导线小部件及导线根据元件形状不同，参照表根据元件形状不同，参照表面选取。如导线按水面选取。如导线按水平圆柱，则取其外径为特征平圆柱，则取其外径为特征尺寸尺寸 电路板上的元件电路板上的元件 自由空气中的小元件自由空气中的小元件 积木式微型组件中的元件积木式微型组件中的元件备注备注ttwtf，其中，其中tw为壁面温度，为壁面温度， tf为流体温度为流体温度1 41.49thl1 31.1

28、3ht1 41.34thl1 31.47ht1 41.36thl1 31.58ht1 40.68thl1 41.24thl1 43.48thl1 42.44thl1 43.53thl1 41.22thl二、自然对流换热的简化计算二、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件或小型设备(任意方向的尺寸小于任意方向的尺寸小于600mm)，可，可以采用以下简化公式进行计算以采用以下简化公式进行计算1.250.25/2.5/AC tD 式中：式中： 热流密度，热流密度，W/m2； A 换热面积，换热面积，m2； C 系数，由表

29、系数，由表2-3查得；查得； D 特征尺寸，特征尺寸，m； t 换热表面与流体（空气）的温差，换热表面与流体（空气）的温差，。 三、强迫对流换热的准则方程三、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管内流动及沿平板流动的准则方程换热表面换热表面形状形状Re范围范围流态流态特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸管内流动管内流动2200104层流层流紊流紊流式中：式中：D 特征尺寸，特征尺寸，m； l 管长，管长，m； l 平均温度下流体的动力粘度，平均温度下流体的动力粘度，Pa； w 壁温下流体的动力粘度，壁温下流体的动力粘度，Pa；内径或当量内径或当量直径直径沿平板流沿平板流动（或平动（

30、或平行柱体流行柱体流动）动）105105层流层流紊流紊流沿流动方向沿流动方向平板长度平板长度0.141/31.86 Re PrlwDNul0.80.40.023RePrNu 0.80.032ReNu 0.50.66ReNu 表中的雷诺数表中的雷诺数Re定义为定义为:ReuD式中：式中： 流体的密度，流体的密度， kg/m3； u 流体流速，流体流速，m/s； 流体的动力粘度，流体的动力粘度， Pas； D 特征尺寸，特征尺寸，m。 当管道为短管（即管长当管道为短管（即管长l与管径与管径d之比小于之比小于50）或弯）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管时，前表中的紊流准则方程

31、右端应乘以相应的修正系数短管修正系数短管修正系数l如下图所示如下图所示弯管修正系数弯管修正系数R为为气体：气体：1 1.77RdR 液体：液体：31 10.3RdR 其中其中R为弯管曲率半径。为弯管曲率半径。 四、辐射换热计算方程四、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：两物体表面之间的辐射换热计算公式为：4412125.67100100 xtTTAF 式中：式中： T1、 T2 物体物体1和物体和物体2表面的绝对温度，表面的绝对温度， K； 1、 2 物体物体1和物体和物体2的表面黑度；的表面黑度； xt 系统黑度；系统黑度； A 物体辐射换热表面积，物体辐射换热表面积， m2

32、； F12 两物体表面的角系数。两物体表面的角系数。 121111xt表表2-4 不同形状物体的角系数不同形状物体的角系数形形 状状角系数角系数无穷大平行平面无穷大平行平面完全被其它物体包围完全被其它物体包围两垂直相交的正方形两垂直相交的正方形两平行且相等的相距为边长的正方形两平行且相等的相距为边长的正方形两平行且相等的相距为直径的圆两平行且相等的相距为直径的圆1.01.00.20.190.18表表 面面黑度黑度银银铝（抛光）铝（抛光）铝箔（钝化）铝箔（钝化）金（电镀）金（电镀）金（真空沉积）金（真空沉积）铝箔（发亮的）铝箔（发亮的）铝（磨光）铝（磨光）不锈钢（磨光）不锈钢（磨光）镍镍钛钛铝（

33、喷砂）铝（喷砂）白硅酮涂料（平）白硅酮涂料（平）黑硅酮涂料（平）黑硅酮涂料（平）黑乙烯酚（钝化）黑乙烯酚（钝化）煤烟煤烟氧化镁氧化镁灰硅酮涂料灰硅酮涂料0.020.030.030.030.030.040.050.050.180.200.40.750.810.840.950.950.96表表2-5 典型表面的黑度典型表面的黑度第二章 电子设备热分析方法2.1 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模拟2.5 热设计步骤热设计步骤2.4 热电模拟一、热电模拟方法一、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

34、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（题，可以把热容（c cp pq qm m）模拟为电容。这种模拟方法适用于各）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。种传热形式，尤其是导热。二、热电模拟网络二、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。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

35、区域均可用热阻来处理。热沉流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于等效于“接地接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。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、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。肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。三、传热路径三、传热路径 热流量经传热路径至最终的部位，通称为热流量经传热路径至最终的部位

36、，通称为“热沉热沉”，它的温，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。处的环境。四、热阻的确定四、热阻的确定确定热阻的步骤确定热阻的步骤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高允许温度b. 确定设备或冷却剂的最高环境温度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根据上述两条规定，确定每个元器件的允

37、许温升d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻确定每个元器件冷却时所需的热阻热阻的计算热阻的计算a. 导热热阻和对流热阻的计算式参见导热热阻和对流热阻的计算式参见2.2节节b. 辐射换热网络法辐射换热网络法任意两表面间的辐射网络如下图所示：任意两表面间的辐射网络如下图所示： 图中图中Eb1和和Eb2分别代表同温度下的表面分别代表同温度下的表面1和表面和表面2的黑体的黑体辐射力；辐射力；J1和和J2分别为表面分别为表面1和表面和表面2的有效辐射。的有效辐射。第二章 电子设备热分析方法2.1 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模

38、拟2.5 热设计步骤热设计步骤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。度范围。2. 确定可利用的冷却技术和限制条件。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。每个发热元器件的功耗。4. 画出

39、热电模拟网络图。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。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。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。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。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。

40、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。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。磁兼容设计。第二章 电子设备热分析方法2.1 热分析的基本问题热分析的基本问题2.2 传热基本准则传热基本准则2.3 换热计算换热计算2.4 热电模拟热电模拟2.5 热设计步骤热设计步骤课程具体章节第一章第一章 电子设备热设计要求电子设备热设计要求第二章第二章 电子设备热设计方法电子设

41、备热设计方法第三章第三章 冷却方法的选择冷却方法的选择第四章第四章 电子元器件的热特性电子元器件的热特性第五章第五章 电子设备的自然冷却设计电子设备的自然冷却设计第六章第六章 电子设备用肋片式散热器电子设备用肋片式散热器第七章第七章 电子设备强迫空气冷却设计电子设备强迫空气冷却设计第三章 冷却方法的选择3.1 冷却方法的分类冷却方法的分类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择示例冷却方法选择示例3.4 冷却技术的极限冷却技术的极限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按冷却剂与被冷元件之间的配置关系a. 直接冷却直接冷却b. 间接冷却间接冷却按传热机理按传热机

42、理a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上作用或两种以上 换热形式的组合）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）强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）c. 蒸发冷却蒸发冷却d. 热电致冷热电致冷e. 热管传热热管传热f. 其它冷却方法其它冷却方法第三章 冷却方法的选择3.1 冷却方法的分类冷却方法的分类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择示例冷却方法选择示例3.4 冷却技术的极限冷却技术的极限3.2 冷却方法的选择一、温升为一、温升为40时，各种冷却时，各种冷却方法的热流密度和体积

43、功率方法的热流密度和体积功率密度值如右图密度值如右图(图图3.1)所示所示0.310.621.08二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下图图(图图3.2)关系进行选择。这种方法适用于温升要关系进行选择。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由上图可知，当元件表面与环境之间的允许温差T为为60时，时，空气的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于空气的自然对流（包括辐射）仅对热流密度低于0.05W/cm2时有时有效。效。 强迫风冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允强迫风

44、冷可使表面对流换热系数大约提高一个数量级，如在允许温差为许温差为100时，风冷最大可能提供时，风冷最大可能提供1W/cm2 的传热能力。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。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，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当在大容器中饱和沸

45、腾且温差T小于小于20时，从元件传走的热流密时，从元件传走的热流密度可超过度可超过10W/cm2。浸没冷却采用自然对流换热方法也具有明显的。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。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。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电子设备中常用的冷却方法能

46、够达到的对流换热系数及表面热流密度值如下表所示：度值如下表所示：冷却方法冷却方法换热系数换热系数W/(mW/(m2 2K)K)表面热流密度表面热流密度,W/cm,W/cm2 2(当换热表面和介质的温差为当换热表面和介质的温差为40)空气自然对流2.85.70.0240.064水自然对流2305800.92.3空气强制对流(风冷)251500.10.6油强制对流(油冷)6050000.2420水强制对流(水冷)3500110001444水沸腾(蒸发冷却)最大54000最大13511)水蒸气膜状凝结11000260002.6111)有机液蒸汽膜状凝结180038000.381.82) 1) 当换热

47、表面和介质的温差为25时； 2) 当换热表面和介质的温差为110时。三、设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却三、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。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，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。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

48、自然冷却方法。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。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七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器件件 或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件或设

49、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相容，其典型热阻为每平方厘米1.25/W。直接。直接强迫液体冷却的热阻为每平方厘米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；缺点是重点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重量大、效率低。量大、效率低。十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传十、热管是一种

50、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。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 冷却方法的分类冷却方法的分类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择示例冷却方法选择示例3.4 冷却技术的极限冷却技术的极限3.3 冷却方法选择示例 功耗为功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个的电子组件，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的机柜里

51、，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？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：体积功率密度：33007350/0.2480.381 0.432VW mV 热流密度：热流密度：230020.2480.3810.2480.4320.381 0.432410/W m 由于由于V很小，而很小，而值与图值与图3.1中空气自然冷却的最大热流密度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。散热就足够了。 由图由图3.1可

52、知，若采用强迫风冷，热流密度为可知，若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到0.1m2（自然冷却所（自然冷却所需的面积为需的面积为0.75m2）。）。第三章 冷却方法的选择3.1 冷却方法的分类冷却方法的分类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择示例冷却方法选择示例3.4 冷却技术的极限冷却技术的极限3.4 冷却技术的极限一、各种冷却技术极限一、各种冷却技术极限 温差电偶冷却器 散热温度100 冷却负载300W 蒸发循环冷却 每制冷1000W 需要功率2501000W 环境温度71 （对于特

53、别设计的蒸发循环设备，200）一次性的蒸发剂冷却 散热温度93 工作持续时间3h二、常用冷却技术单位面积的最大功耗二、常用冷却技术单位面积的最大功耗冷却技术冷却技术单位传热面积的最大功耗单位传热面积的最大功耗 与环境空气的自然对流和向周围的辐射与环境空气的自然对流和向周围的辐射 直接气冷（强迫风冷）直接气冷（强迫风冷） 空气冷却板空气冷却板 与液体的自由对流与液体的自由对流 液体冷却冷板液体冷却冷板 蒸发冷却蒸发冷却8003 00016 0005001)160 0005107 1) 1) 表面和液体之间每度温差。表面和液体之间每度温差。W/m2第三章 冷却方法的选择3.1 冷却方法的分类冷却方

54、法的分类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择示例冷却方法选择示例3.4 冷却技术的极限冷却技术的极限课程具体章节第一章第一章 电子设备热设计要求电子设备热设计要求第二章第二章 电子设备热设计方法电子设备热设计方法第三章第三章 冷却方法的选择冷却方法的选择第四章第四章 电子元器件的热特性电子元器件的热特性第五章第五章 电子设备的自然冷却设计电子设备的自然冷却设计第六章第六章 电子设备用肋片式散热器电子设备用肋片式散热器第七章第七章 电子设备强迫空气冷却设计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半导体器件的热特性4.2 磁芯元件的热特性磁芯

55、元件的热特性4.3 电阻器的热特性电阻器的热特性4.4 电容器的热特性电容器的热特性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：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。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，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以便获得理想的可靠性。由于设备和系统的可靠

56、性是元器件失效率的函数，因此只有经过细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。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。器件的需要用内热阻将结与外部环境相联系。器件的结结壳热阻壳热阻Rjc可按下式计算：可按下式计算：maxmaxjBjcttRP式中：式中：Rjc 结结外壳热阻，外壳热阻， /W； tjmax 最大结温，最大结温，； tB 器件的外壳基座温度，器件的外壳基座温度，； Pmax 最大功耗，最大功耗，W。 一、小功率晶体管一、小功率晶体管a. 结结外壳热阻外壳热阻Rjc 该值在使用时应注意两点：在多头引线器件

57、中，导线热阻比通过外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，应知壳外侧温度变化范围可能很大，应知道外壳上用来确定道外壳上用来确定R Rjcjc的参考点的参考点管壳的基座温度。管壳的基座温度。b. 结结空气热阻空气热阻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。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. 元器件的最大功耗元器件的最大功

58、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般指空气温度或壳温为2525）下，元器件可以耗散的最大功耗。由此可）下，元器件可以耗散的最大功耗。由此可以转换成以转换成R Rjcjc或或R Rjaja 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。的导热是最好的

59、传热方法。散热效果取决于安装状况。二、功率晶体管二、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。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。光滑，以减小界面热阻。三、集成电路三、集成电路

60、集成电路的结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接芯片的热阻可达120/W120/W，双列直插式（，双列直插式（DIPDIP）塑封器件的芯片热阻大）塑封器件的芯片热阻大约为约为135 /W135 /W。大多数混合电路单元芯片与封装外壳表面的热阻值为。大多数混合电路单元芯片与封装外壳表面的热阻值为252540 /W40 /W。 集成器件的外部热通路必须注意封装表面的导热散热。与晶体管相集成器件的