電子設備熱設計基礎(電子部講課做講義用)

北京航空航天大學電子設備熱設計付桂翠熱設計根本知識熱設計實際根底熱設計的方法熱分析熱實驗電子設備熱設計熱對系統(tǒng)可靠性的影響熱設計的目的熱設計的有關概念熱控制的根本方式熱設計根本知識熱對系統(tǒng)可靠性的影響高溫對大多數(shù)元器件將產(chǎn)生嚴重影響，它導致元器件性能改動甚至失效，從而引起整個電子設備的缺點。圖1元器件的失效率與溫度的關系熱對系統(tǒng)可靠性的影響元器件類別基本失效率，λb（10-6/h）

溫升△T（℃）高溫與室溫失效率之比高溫室溫PNP硅晶體管0.063（在130℃和應力比0.3）0.0096（在25℃和應力比0.3）1057:1NPN硅晶體管0.033（在130℃和應力比0.3）0.0064（在25℃和應力比0.3）1055:1玻璃電容器0.047（在120℃和應力比0.5）0.001（在25℃和應力比0.5）9547:1變壓器與線圈0.0267（在85℃）0.0008（在25℃）6033:1碳膜合成電阻器0.0065（在100℃和應力比0.5）0.0003（在25℃和應力比0.5）7522:1不同任務溫度部分元器件的根本失效率(摘自GJB/Z299B〕熱對系統(tǒng)可靠性的影響平均缺點間隔時間〔MTBF〕是表征電子設備可靠性的一個主要參數(shù)，當電子設備壽命呈指數(shù)分布時，其平均缺點間隔時間：

該式中：以金屬膜電阻器為例：金屬膜電阻器的任務失效率計算公式如下：熱對系統(tǒng)可靠性的影響據(jù)統(tǒng)計〔1〕電子設備的失效緣由中有55％是由于溫度過高引起的?！?〕電子元器件溫度每升高10℃，其可靠性下降一倍。摘自美空軍整體方案分析報告熱量產(chǎn)生的緣由電子設備經(jīng)受的熱應力來源于以下幾個方面：〔1〕任務過程中，功率元件耗散的熱量?！?〕電子設備周圍的任務環(huán)境，經(jīng)過導熱、對流和輻射的方式，將熱量傳送給電子設備?！?〕電子設備與大氣環(huán)境產(chǎn)生相對運動時，各種摩擦引起的增溫。

熱設計的目的電子設備的熱設計系指利用熱傳送特性對電子設備的耗熱元件以及整機或系統(tǒng)采用適宜的冷卻技術和構造設計，以對它們的溫升進展控制，從而保證電子設備或系統(tǒng)正常、可靠地任務。熱傳送的方式：傳導、對流、輻射。普通來說，這三種方式在電子系統(tǒng)的熱傳輸中所占的比例分別為60％、20％、20％。熱設計的有關概念〔1〕熱設計利用熱傳送特性經(jīng)過冷卻安裝控制電子設備內(nèi)部一切電子元器件的溫度，使其在設備內(nèi)所處的任務環(huán)境條件下，不超越規(guī)定的最高允許溫度的設計技術?！?〕熱評價：評價電子設備熱設計能否合理的方法和手段?！?〕熱分析又稱熱模擬，是利用數(shù)學的手段，經(jīng)過計算機模擬，在電子設備的設計階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子設備設計人員和可靠性設計人員在設計初期就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改良其設計，為提高產(chǎn)品設計的合理性及可靠性提供有力保證?！?〕熱實驗：將電子設備置于模擬的熱環(huán)境中，丈量其溫度或溫度分布。熱設計的有關概念〔5〕熱流密度單位面積的熱流量?！?〕體積功率密度單位體積的熱流量?！?〕熱阻熱量在熱流途徑上遇到的阻力〔內(nèi)熱阻、外熱阻、系統(tǒng)熱阻〕。溫差越大，熱流量就越大?！鱐＝RQ熱阻的單位是℃/W。熱設計的有關概念內(nèi)熱阻：產(chǎn)生熱量的點或區(qū)域與器件外表指定點〔安裝外表〕之間的熱阻。晶體管和微電路的內(nèi)熱阻是指結到外殼間的熱阻θjc。外熱阻：器件上恣意參考點〔安裝外表〕與換熱器間，或與設備、冷卻流體或環(huán)境交界面之間的整個熱阻。系統(tǒng)熱阻：設備外外表與周圍空間或換熱器與冷卻流體間的熱阻。熱設計的有關概念接觸熱阻：當熱經(jīng)過兩個接觸外表的交界面時，出現(xiàn)一種導熱的特殊情形。在接觸面上有很大的溫差。接觸外表之間的交界面是效率很低的傳熱通路降低接觸熱阻的有效方法：接觸面積大；外表平滑；接觸資料軟；接觸壓力大；接觸壓力均勻；在交界面上有導熱填充劑?！?〕熱阻網(wǎng)絡熱阻的串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)構成的熱流途徑圖?！?〕功耗電子設備任務時需求電功率，由于元器件并非完全有效，因此有不少功率轉換成熱。假設找不到一條通路來散熱，溫度就會升高。最重要的熱流量是功耗?！?0〕冷板利用單相流體強迫流動帶走熱量的一種換熱器。〔11〕熱沉是一個無限大的熱容器，其溫度不隨傳送到它的熱能大小而變化。它能夠是大地、大氣、大體積的水或宇宙等。又稱熱地。也稱“最終散熱器〞。HeatSink熱設計的有關概念熱設計的有關概念對流：固體外表與流體外表傳熱的主要方式。自然對流：流體的運動是由于流體密度差和溫度梯度引起的。在自然對流傳熱中，上部較冷流體與底部較熱流體間的密度差引起流體溫升強迫對流：流體的運動是由外力〔如風機、風扇或泵〕呵斥的。強迫對流熱設計的有關概念壓降：當流體流經(jīng)固體物質或物體在導管內(nèi)流動時，摩擦、流動面積的限制或方向的突變會阻止這種流動。結果產(chǎn)生壓力損失或壓力下降。需求用風機或泵來抑制這種壓降。流速越高，外表越不規(guī)那么，那么壓降越大。在強迫對流系統(tǒng)中，冷卻劑流動通路的幾何外形及系統(tǒng)壓降是重要的問題。熱設計的有關概念熱設計的有關概念輻射：是真空中進展傳熱的獨一方式，它是量子從熱體〔輻射體〕到冷體〔吸收體〕的轉移。例如接近火爐坐能感到熱。熱路與電路R=U/IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t/qThermalSink

(environment)Rt=t/Q熱阻與熱流量和溫度的關系降低熱耗器件的熱耗普通受器件廠工藝程度的制約VLSI的總熱耗普通低于NPN器件的熱耗，但從熱流密度的角度看，不可一概而論?？刂浦車h(huán)境向器件的熱量傳送。從構造措施上減小動力增溫〔如摩擦熱的傳輸?shù)取场?/p>

內(nèi)熱阻—通常指芯片級的冷卻技術，是今后VLSI的開展方向。外熱阻—指傳統(tǒng)的冷卻技術，如風冷、液冷、相變冷卻，熱管傳熱等。Rt=t/Q熱設計根本思索內(nèi)熱阻的控制多芯片模塊〔multichip-module〕微熱管(micro-heatpipe)傳熱內(nèi)熱阻：芯片的PN結封裝殼體(導熱、對流)也稱“芯片組導熱模塊〞，經(jīng)過導熱、輻射將熱量傳至封裝外表，再進展冷卻。特點：尺寸小、分量輕、信號處置速度快、延遲時間小。微通道散熱器〔級通道，冷卻劑可直接經(jīng)過〕外熱阻的控制〔1〕散熱技術肋片式散熱器,強迫空氣冷卻,液體冷卻,相變冷卻(沸騰、蒸發(fā)、升華)〔2〕制冷技術溫差電制冷,液氮制冷,緊縮制冷，相變制冷〔3〕恒溫技術隔熱資料保溫,可控式恒溫，關鍵技術是溫度的控制〔4〕熱管傳熱

熱設計實際根底－傳熱學傳熱的根本方式有三種：傳導、對流和輻射、普通來說，這三種方式在電子系統(tǒng)的熱傳輸中分別占60%，20%和20%。導熱因物質的原子和分子之間的隨機運動而導致的從高能級→低能級的一種能量傳輸過程。簡單地說：導熱的產(chǎn)生必需具備二個條件：和相互接觸。=－k?A?t/n(w)q=－k?t/n(w/m2)導熱的根本定律：Fourier定律K—資料的導熱系數(shù)W/m?oC

資料種類、溫濕度、構造方式、密度、比熱等。

材料名稱導熱系數(shù)(20℃)W/(m·℃)

密度(20℃)kg/m3比熱(20℃)J/(kg·℃)鋁2042707921金29219272126銅3308939385鐵737898452銀41910524234尼龍0.17~0.411211075環(huán)氧樹脂0.41041不同資料的導熱特性Diamond1600~2300表面狀況接觸熱阻×104(m2k/w)金屬與金屬干接觸高3.55中2.58低0.90涂硅脂高2.32中1.29低0.48導熱襯墊高1.10中0.65低0.32墊銦片（厚0.005mm)干接觸高0.58中0.45低0.32接觸熱阻實例對流換熱定義：流動的流體與其相接觸的物體〔固體、流體、汽體〕，由于溫差的緣由所產(chǎn)生的能量與熱量的傳送過程。①靠自然力——密度差引起?！才c的強度、流體的性質、空間、大小、壁面的大小等要素有關?！尝谑軓娖攘Α踩顼L機、泵〕推進而引起的流動。〔推力的大小、〔壓差〕、流體的性質、流道的尺寸大小等阻力要素有關?！沉黧w的流動特征自然對流natural強迫對流forced對流方式層流laminar紊流turbulent流動形狀層流：流線有規(guī)那么，大都發(fā)生在貼近

壁面附近的流層。

〔導熱產(chǎn)生的換熱為主〕

紊流：層流底層以外〔邊境層以外〕

所發(fā)生的流體不規(guī)那么流動。對流換熱的根本定律對流換熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)的數(shù)值范圍過程h/[W(m2k)]自然對流空氣水1～10200～1000強迫對流氣體高壓水蒸氣水20～100500～35001000～15000水的相變換熱沸騰蒸汽凝結2500～35005000－25000輻射換熱根本特征輻射換熱的根本定律黑體輻射力計算公式：熱設計方法電子產(chǎn)品熱設計應首先根據(jù)設備的可靠性目的及設備所處的環(huán)境條件確定熱設計目的，熱設計目的普通為設備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設計目的及設備的構造、體積、分量等要求進展熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與規(guī)劃、印制電路板散熱構造的設計和機箱散熱構造的設計。常見的熱設計流程見圖所示。熱設計流程熱設計目的確實定熱設計目的通常根據(jù)設備的可靠性目的與設備的任務環(huán)境條件來確定，知設備的可靠性目的，根據(jù)GJB/299B－1998<電子設備可靠性估計手冊>中元器件失效率與任務溫度之間的關系，可以計算出元器件允許的最高任務溫度，此溫度即為熱設計目的。工程上為簡便計算，通常采用元器件經(jīng)降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目的。熱設計目的確實定根據(jù)可靠性估計確定熱設計目的施加在電子元器件上的電應力熱應力大小直接影響電子元器件的根本失效率。b=Aexp{NT/[273+T+(△T)S]}exp{[273+T+(△T)S]/TM}P式中∶A—失效率換算系數(shù)；NT、P—器件中的外形參數(shù)；T—任務溫度(環(huán)境或殼溫)，℃；△T—TM與額定功率點最高允許溫度之差，℃；S—應力比或降額因子。熱設計目的確實定工程上為簡便計算，通常采用元器件經(jīng)降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目的。降額參數(shù)降額等級ⅠⅡⅢ頻率0.800.900.90輸出電流0.800.900.90最高結溫℃85100115雙極型數(shù)字電路降額準那么常用冷卻方法的選擇和設計要求電子設備的冷卻方法包括自然冷卻、強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電致冷(半導體致冷)、熱管傳熱和其它冷卻方法〔如導熱模塊、冷板技術等〕。其中自然冷卻、強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻和蒸發(fā)冷卻是常用的冷卻方法。冷卻方法熱流密度〔W/cm2〕自然對流0.08強迫風冷0.3空氣冷卻板1.6液體對流冷卻0.5液體冷卻板160蒸發(fā)冷卻770常用冷卻方法的熱流密度常用冷卻方法的體積功率密度常用冷卻方法的優(yōu)選順序：自然散熱、強迫風冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻冷卻方法的選擇例如功耗為300W的電子組件，擬將其安裝在一個248mm×381mm×432mm的機柜里，放在正常室溫的空氣中，能否需求對此機柜進展特殊的冷卻措施？能否可以把此機柜設計得再小一些？首先計算該機柜的體積功率密度和熱流密度。體積功率密度：熱流密度：由于體積功率密度很小，而熱流密度值與自然空氣冷卻的最大熱流密度比較接近，所以不需求采取特殊的冷卻方法，而依托空氣自然對流冷卻就足夠了。假設采用強迫風冷，熱流密度為3000W/m2，因此，采用風冷時，可以把機柜外表積減小到0.1m2(自然冷卻所需的外表積為0.75m2)。冷卻方法的選擇例如影響自然對流冷卻的要素：印制板的間