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1、电子设备热设计讲座,韩宁 中国电子学会教育部2006年11月 深圳,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,热分析的两个主要目的,预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度,2.使热设计最优化，以提高可靠性,课程主要内容,电子设备热设计要求电子设备热设计方法冷却方法的选择及主要电子器件的热特性电子设备的自然冷却设计电子设备的强迫风冷设计肋片式散热器设计冷板、热电致冷及热管散热器设计电子设备热性能评价及改进计算机辅助热分析技术,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
2、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,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 现有电子设备热性能的改进,第十三章 计算流体及传热分析,第十四章 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
3、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2.25 10-6h-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。,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
4、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,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,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
5、,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,第二章 电子设备热设计方法,2.1 热设计的基本问题,2.2 传热基本准则,2.3
6、换热计算,2.4 热电模拟,2.5 热设计步骤,2.1 热设计的基本问题,耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的工作温度,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,在稳态条件下，存在着热平衡,热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数,所采用的冷却系统应该是最简单又最经济的，并适用于特定的电气和机械设备、环境条件，同时满足可靠性要求,热设计应与其它设计（电气设计、结构设计、可靠性设计等）同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决,热设计中允许有较大的误差,在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分析和计算,2.2 传热基本准则,凡有温差的地方就有热
7、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 垂直与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。,二、对流,可
8、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：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，。,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；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。,2.3 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2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术
9、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2-1 自然对流准则方程中的C和n值,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2-1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
10、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。,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（
11、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”，
12、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,式中Rt 为整个传热面积上的热阻，/W。,a.平壁导热热阻：,b.对流换热热阻：,c.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。,
13、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
14、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
15、法,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,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,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
16、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
17、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。,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）。,3.4 冷却技术的极限,一
18、、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
19、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，
20、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
21、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
22、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。,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
23、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
24、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,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
25、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。,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,第五章 电子设备的自然冷却设计,5.1 热
26、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100 mm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
27、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
28、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：,器件的不同排列方式对温度分布的影响,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
29、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。,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、自然冷却用印制板的选取,适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导热）
30、性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板。,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,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。,三、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。,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。若不用粘结，应尽量减小元器件与印制板或
31、导热条（板）间的间隙。,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。,同一块印制板上的元器件，应按其发热量大小及耐热程度分区排列，耐热性差的器件放在冷却气流的最上游（入口处），耐热性好的器件放在最下游（出口处）。,有大、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
32、极管），应当提供的最小应变量为2.54mm，如图5-13a所示。大型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-13b、c那样留有较大的应变量。,在印制板上安装晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-14a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5-14(b)(e)所示。,四、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。,五、导热条式印制板的热计算,当印制板采用导热条式散热印
33、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。,六、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：P cp 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。,
34、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。,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
35、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i表示的关系式：,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。,5.5 电子设备机柜和机壳的设计,
36、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。,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。,机壳开孔的大小应与冷却空
37、气进、出流速相适应，且压降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式计算：,式中：A0 进风孔面积，cm2；0 通风孔应散热流量，W；H 自然冷却设备机箱高度，cm；t=t2 t1；t2 设备内部空气温度，；t1 设备外部周围环境温度。,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
38、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。,6.2 肋片散热器的传热性能,取如图所示的单个等截面矩形肋进行分析。,肋片分析的前提：肋片材料的导热系数为常数；肋片表面的对流换热系数为常数；周围环境温度为常数；肋高l远大于肋厚；肋片内部无热
39、源。,定义肋效率：,在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导热定律，可以得到肋片效率的计算公式为：,对流换热系数；肋片导热系数U 横截面周长；lc 当量肋高；AC 横截面面积。,工程中肋片散热量的计算步骤：,计算当量肋高,等截面矩形肋,三角形肋,矩形截面环行肋,计算肋效率,计算理想情况下的肋片散热量,等截面矩形肋,三角形肋,矩形截面环行肋,肋片实际散热量,6.3 肋片散热器设计,一、加肋有利条件,定义毕渥数,理论推导的加肋有利条件：,等截面矩形肋和三角形肋，实验证实的加肋有利条件：,因此设计肋片时应注意：,为了减小Bi数，肋片材料的导热系数应选得大，肋片厚度以薄为宜；,为了使Bi数小，散热
40、肋片应置于表面传热系数较小的一侧（一般宜放在空气侧）。,二、肋片参数的优化,在工程设计中，肋片高度：,过份增加高度，不仅散热量不增加，相反地还将增加肋片重量。,表2-1给出了几种肋片（图2-8）的设计参数值。,设计肋片时，可参考表2-2所列的物理特性参数比较结果来选用材料。,三、针肋散热器,空气垂直流过交叉排列圆形针肋的准则方程,式中Re=ud/，其中u为空气流速，d为针径，为空气运动粘度。定性温度取针状散热器表面平均温度与环境空气温度的算术平均。,针肋的效率：,圆柱形针肋：,矩形针肋：,其中d为圆柱形针肋的直径，U为矩形针肋的横截面周长，A为横截面积，为由上面准则方程得出的肋表面对流换热系数
41、，为肋材料的导热系数。,6.4 肋片散热器在工程应用中的若干问题,一、散热器生产、使用的技术要求,一般均选用铝材（或铝型材）作为散热器的材料；,为提高散热器的辐射散热能力，其表面应进行提高表面黑度 的处理，表面颜色可按需要任选；,散热器与功率器件的安装表面应光洁、平整。可加导热膏、导热脂或导热橡胶片等；,散热器与安装面之间不应出现跳火、击穿等迹象，其电绝缘性、耐热性和耐湿性应按有关标准进行检测；,散热器应按有关标准进行测试，其热阻值不应超过许用偏差范围。,二、减小散热器与器件之间的接触热阻,影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据
42、来选择接触热阻。,表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。,半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可参考表2-4查取。,工程中常用的减小接触热阻的主要措施：,加大接触表面之间的压力；,提高两个接触面的加工精度；,接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏等；,在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器或器件的壳体。,三、合理选用散热器，降低散热器热阻,图2-11为安装于散热器上的功率器件等效热路图：,其中：功率器件的内热阻，通常由器 件的制造厂家提供。范围一般 为 0.82.0 K/W。,器件壳体直接向周围环境的换 热热阻，称为器件的外热阻，其值可由表2-5选取。,器件与散热器安装面之间的
43、接触热阻（参照表2-4选取）。,散热器热阻。,由于 远大于其它热阻值，因此总热阻计算式为：,设计要求功率器件的结温应满足：,减小散热器热阻的措施：,合理选用散热器的结构形式 梯形肋热阻三角形肋热阻流线型肋热阻,合理的安装方式,散热器表面的处理,第七章 电子设备强迫空气冷却设计,7.1 强迫空气冷却的热计算,7.2 通风机,7.3 系统压力损失及计算,7.4 强迫空气冷却系统的设计,7.5 通风管道的设计,7.6 强迫空气冷却的机箱和机柜设计,7.1 强迫空气冷却的热计算,强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流换热系数的确定（相应的准则方程参见第二章内容）。,对流换热系数的大小与流
44、体流动的状态（层流或紊流）、流体的物性参数、换热面的几何形状和位置等有关。,判断流体流动状态的准则是雷诺数Re。对于管内流动，当Re2200时，流动属层流；当Re104时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。,一、环境的影响,环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。,空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。,空气的动力粘度随温度的升高而增大，而不受压力的影响。,干燥空气的密度可由下式计算：,式中：空气密度，kg/m3；t 温度，；P1
45、 使用大气压力，Pa。,二、空气吸收的热流量和质量流量,空气吸收的热量可用下式计算：,式中：空气吸收的热流量，W；qm 空气的质量流量，kg/s；cp 定压比热，J/(kg)；t 空气的温升，。,空气的质量流量由下式计算：,式中：qV 空气的体积流量，m3/s；空气密度，kg/m3。,三、对流换热在电子设备热设计中的应用,流体在管内或槽内流动,右图是流体在圆管内流动换热时的温度分布。可以看出，在强迫对流换热时，流体的主流温度可取为定性温度。,管内强迫对流换热计算准则方程见第二章所述。,对非圆形截面管道来说，公式中所用的当量直径为：,式中：A 管道横截面积，m2；U 湿周长度，m。,平行于平面（
46、或板）、导线和圆柱的强迫对流换热,这一类型的强迫对流换热准则方程如第二章所列。,圆柱体,当气流与圆柱体的轴线平行流动，并且在圆柱体周围有导流套时，其换热准则方程为（130Re8000）：,这里的特征尺寸取管子的直径，定性温度取空气的入口温度。,7.2 通风机,通风机可分为离心式（下图(a)）和轴流式下图(b)两类。,通风机的选择主要取决于下列因素：空气流量、压力大小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等。,通风机的驱动电机本身也有功耗，虽然它的温升不会太高，但在设计时应考虑这一点。,一、离心式风机,离心式风机的特点是风压较高，一般用于阻力较大发热元器件或机柜的冷却。,离心式风机按叶轮的
47、叶片形状可分为前弯式、径向式和后弯式三种，如上图所示。,前弯式和径向式最适合电子设备的冷却。在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，但在使用时应防止电机过载。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用径向式通风机。,二、轴流式风机,轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。,三、通风机特性曲线,通风机特性曲线是指通风机在某一固定转速下工作时，静压、效率和功率随风量而变化的关系曲线。,上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存
48、在一效率最高的点，当通风机工作在该点附近时，消耗的功率最小。这就需要选择最佳通风机，以便满足空气流量和静压的要求。,四、系统阻力特性与通风机工作点的确定,通风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。,右图中，、三条曲线分别代表不同系统（风道）的特性曲线。系统（阻力）特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是该通风机的工作点。,五、通风机的选择,选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和
49、风压是主要参数。,根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。,当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。,通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。,六、通风机的串联和并联使用,当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑通风机的串联或并联方式。,通风机的串联使用,当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联的工作方式。,两个通风机串联后工作点的变化如右图所示。可见，通风机串联后总风量基本上是每台风机的风量（略有增加），总风压为相同风量下两台通风机风压相加。,因此当风道
50、特性曲线比较陡时，即风道阻力较大时，可采用串联形式。,通风机的并联使用,通风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总风量是各通风机风量之和。,通风机的并联如右图所示。由图可见，当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。,七、通风机的噪声,选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点考虑的因素之一。一般通风机的叶尖若以高的线速度工作时，并且所产生的静压在500Pa以上，则通风机所产生的噪声将随转速的提高而增大。,对通风机进行动平衡和静平衡设计，隔震和流线型设计等都可以降低噪声。,噪声级可按下式计算：,式中：Ln 噪声级，dB；n1、n2 转速，s-1。,7.3 系统压力损失及
