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1、,北京航空航天大学,电子设备热设计,付桂翠,热设计基本知识热设计理论基础热设计的方法热分析热试验,电子设备热设计,热对系统可靠性的影响热设计的目的热设计的有关概念热控制的基本形式,热设计基本知识,热对系统可靠性的影响,高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。,图1 元器件的失效率与温度的关系,热对系统可靠性的影响,不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自GJB/Z 299B）,热对系统可靠性的影响,平均故障间隔时间（MTBF）是表征电子设备可靠性的一个主要参数，当电子设备寿命呈指数分布时，其平均故障间隔时间：该式中：,以金属膜电阻器为例：金属
2、膜电阻器的工作失效率计算公式如下：,热对系统可靠性的影响,据统计（1）电子设备的失效原因中有55是由于温度过高引起的。（2）电子元器件温度每升高10，其可靠性下降一倍。,摘自 美空军整体计划分析报告,热量产生的原因,电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：（1）工作过程中，功率元件耗散的热量。（2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。（3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。,热设计的目的,电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、
3、可靠地工作。热传递的方式：传导、对流、辐射。一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中所占的比例分别为60、20、20。,热设计的有关概念,（1）热设计 利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。（2）热评估：评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。（3）热分析 又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。（4）热试验：将电子设备置于
4、模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。,热设计的有关概念,（5）热流密度 单位面积的热流量。（6）体积功率密度 单位体积的热流量。（7）热阻 热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。TRQ 热阻的单位是/W。,热设计的有关概念,内热阻：产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的热阻。晶体管和微电路的内热阻是指结到外壳间的热阻jc。外热阻：器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷却流体或环境交界面之间的整个热阻。系统热阻：设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻。,热设计的有关概念,接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出现
5、一种导热的特殊情形。在接触面上有很大的温差。,接触表面之间的交界面是效率很低的传热通路,降低接触热阻的有效方法：接触面积大；表面平滑；接触材料软；接触压力大；接触压力均匀；在交界面上有导热填充剂。,（8）热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。（10）冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。（11）热沉 是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。
6、Heat Sink,热设计的有关概念,热设计的有关概念,对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。自然对流：流体的运动是由于流体密度差和温度梯度引起的。,在自然对流传热中，上部较冷流体与底部较热流体间的密度差引起流体温升,强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或泵）造成的。,强迫对流,热设计的有关概念,压降：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时，摩擦、流动面积的限制或方向的突变会阻止这种流动。结果产生压力损失或压力下降。需要用风机或泵来克服这种压降。流速越高，表面越不规则，则压降越大。在强迫对流系统中，冷却剂流动通路的几何形状及系统压降是重要的问题。,热设计的有关概念,热设计的有关概念,辐
7、射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。例如接近火炉坐能感到热。,热路与电路,R=U/I,Rt=t/Q,热阻与热流量和温度的关系,降低热耗,器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约 VLSI 的总热耗一般低于 NPN 器件的热耗，但从热流密度的角度看，不可一概而论。控制周围环境向器件的热量传递。从结构措施上减小动力增温（如 摩擦热的传输等）。,内热阻通常指芯片级的冷却技术，是今后VLSI的发展方向。,外热阻指传统的冷却技术，如风冷、液冷、相变冷却，热管传热等。,Rt=t/Q,热设计基本考虑,内热阻的控制,多芯片模块（multichip-module）,微热管
8、(micro-heatpipe)传热,也称“芯片组导热模块”，通过导热、辐射将热量传至封装表面，再进行冷却。特点：尺寸小、重量轻、信号处理速度快、延迟时间小。,微通道散热器（级通道，冷却剂可直接通过）,外热阻的控制,（1）散热技术 肋片式散热器,强迫空气冷却,液体冷却,相变冷却(沸腾、蒸发、升华)（2）制冷技术 温差电制冷,液氮制冷,压缩制冷，相变制冷（3）恒温技术 隔热材料保温,可控式恒温，关键技术是温度的控制（4）热管传热,热设计理论基础传热学,传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和20%。,导 热,因物质的原子和分子之间的随
9、机运动而导致的从高能级低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件：和相互接触。,=k A t/n(w)q=k t/n(w/m2),导热的基本定律：Fourier 定律,K材料的导热系数 W/m oC 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等。,不同材料的导热特性,Diamond 16002300,接触热阻实例,对流换热,定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。,靠自然力 密度差引起。（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。）受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。（推力的大小、（压差）、流体的性质
10、、流道的尺寸大小等阻力因素有关。）,流体的流动特征,层流：流线有规则，大都发生在贴近 壁面附近的流层。（导热产生的换热为主）紊流：层流底层以外（边界层以外）所发生的流体不规则流动。,对流换热的基本定律,对流换热系数,对流传热系数的数值范围,辐射换热,辐射换热的基本定律,黑体辐射力计算公式：,热设计方法,电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及设备的结构、体积、重量等要求进行热设计，主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。常见的热设计流程见图所示。,
11、热设计流程,热设计目标的确定,热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据GJB/299B1998电子设备可靠性预计手册中元器件失效率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。,热设计目标的确定,根据可靠性预计确定热设计目标 施加在电子元器件上的电应力热应力大小直接影响电子元器件的基本失效率。b=AexpNT/273+T+(T)Sexp273+T+(T)S/TMP 式中 A失效率换算系数；NT、P器件中的形状参数；T工作温度(环境或壳温)
12、，；TTM与额定功率点最高允许温度之差，；S应力比或降额因子。,热设计目标的确定,工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。,双极型数字电路降额准则,常用冷却方法的选择和设计要求,电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。,常用冷却方法的热流密度,常用冷却方法的体积功率密度,常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却,冷却方法的选择示例,功耗为300W的电子组件，拟将其安装
13、在一个248mm381mm432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。,体积功率密度：,热流密度：,由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然对流冷却就足够了。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(自然冷却所需的表面积为0.75m2)。,冷却方法的选择示例,影响自然对流冷却的因素：,印制板的间距电子元件耗散功率自然对流换热表面传热系数机箱表面和环境空气之间的温
14、差机箱表面积,自然对流冷却设计,印制板之间的合理间距,对于竖直平行板（如右图），其最佳间距为：,式中：,-比定压热容，kJ/(kgK)；,-空气平均密度，kg/m3,-重力加速度，m/s2,-板与空气的温差，；,-气体的动力粘度，Pas,-气体的导热系数，W/(mK),-气体的体胀系数，-1；,竖直安装的电路板，其最小间距应为19mm。,采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积,增大机箱表面积,采用开式机箱的换热,开式机箱指开有通风孔的机箱，结构及热路图如下图：,开式机箱的总换热量计算公式,式中：第一项为自然对流换热量；第二项为辐射换热量；第三项为通过通风孔散失的热量。,-机箱侧面面积，m2,-机
15、箱顶面面积，m2,-机箱底面面积，m2,-黑体辐射常数5.6710-8W/(m2K4),-机箱平均发射率,采用开式机箱的换热,机壳通风面积的计算：,采用开式机箱的换热,最大限度的利用导热、自然对流和辐射散热；缩短传热路径，增大换热或导热面积；减小安装时的接触热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热 采用散热印制电路板，热阻小的边缘导轨；印制板组装件之间的距离控制在19-21mm；增大机箱表面黑度，增强辐射换热。,自然对流冷却设计要求,1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱
16、怨的，只是不够努力的自己。3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善
17、变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风
18、挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。16、成功的秘诀在于永不改变既定的目标。若不给自己设限，则人生中就没有限制你发挥的藩篱。幸福不会遗漏任何人，迟早有一天它会找到你。17、一个人只要强烈地坚持不懈地追求，他就能达到目的。你在希望中享受到的乐趣，比将来实际享受的乐趣要大得多。18、无论是对事还是对人，我们只需要做好自己的本分，不与过多人建立亲密的关系，也不要因为关系亲密便掏心掏肺，切莫交浅言深，应适可而止。19、大家常说一句话，认真你就输了，可是不认真的话，这辈子你就废了，自己的人生都不认真面对的话，那谁要认真对待你。20、没有收拾残局的能力，就别放纵善变的情
19、绪。1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你努力的不够多。2、孤单一人的时间使自己变得优秀，给来的人一个惊喜，也给自己一个好的交代。3、命运给你一个比别人低的起点是想告诉你，让你用你的一生去奋斗出一个绝地反击的故事，所以有什么理由不努力!4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟无言。缘来尽量要惜，缘尽就放。人生本来就空，对人家笑笑，对自己笑笑，笑着看天下，看日出日落，花谢花开，岂不自在，哪里来的尘埃!5、心情就像衣服，脏了就拿去洗洗，晒晒，阳光自然就会蔓延开来。阳光那
20、么好，何必自寻烦恼，过好每一个当下，一万个美丽的未来抵不过一个温暖的现在。6、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。7、生命的美丽，永远展现在她的进取之中;就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中;像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中;像江河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。8、有些事，不可避免地发生，阴晴圆缺皆有规律，我们只能坦然地接受;有些事，只要你愿意努力，矢志不渝地付出，就能慢慢改变它的轨迹。9、与其埋怨世界，不如改变自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都强。人生无完美，曲折亦风景
21、。别把失去看得过重，放弃是另一种拥有;不要经常艳羡他人，人做到了，心悟到了，相信属于你的风景就在下一个拐弯处。10、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。11、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。12、有些压力总是得自己扛过去，说出来就成了充满负能量的抱怨。寻求安慰也无济于事，还徒增了别人的烦恼。13、认识到我们的所见所闻都是假象，认识到此生都是虚幻，我们才能真正认识到佛法的真相。钱多了会压死你，你承受得了吗?带，带不走，放，放不下。时时刻刻发悲心，
22、饶益众生为他人。14、梦想总是跑在我的前面。努力追寻它们，为了那一瞬间的同步，这就是动人的生命奇迹。15、懒惰不会让你一下子跌倒，但会在不知不觉中减少你的收获;勤奋也不会让你一夜成功，但会在不知不觉中积累你的成果。人生需要挑战，更需要坚持和勤奋!16、人生在世：可以缺钱，但不能缺德;可以失言，但不能失信;可以倒下，但不能跪下;可以求名，但不能盗名;可以低落，但不能堕落;可以放松，但不能放纵;可以虚荣，但不能虚伪;可以平凡，但不能平庸;可以浪漫，但不能浪荡;可以生气，但不能生事。17、人生没有笔直路，当你感到迷茫、失落时，找几部这种充满正能量的电影，坐下来静静欣赏，去发现生命中真正重要的东西。1
23、8、在人生的舞台上，当有人愿意在台下陪你度过无数个没有未来的夜时，你就更想展现精彩绝伦的自己。但愿每个被努力支撑的灵魂能吸引更多的人同行。19、积极的人在每一次忧患中都看到一个机会，而消极的人则在每个机会中看到了某种忧患。莫找借口失败，只找理由成功。20、每一个成就和长进，都蕴含着曾经受过的寂寞、洒过的汗水、流过的眼泪。许多时候不是看到希望才去坚持，而是坚持了才能看到希望。1、想要体面生活，又觉得打拼辛苦；想要健康身体，又无法坚持运动。人最失败的，莫过于对自己不负责任，连答应自己的事都办不到，又何必抱怨这个世界都和你作对？人生的道理很简单，你想要什么，就去付出足够的努力。2、时间是最公平的，活
24、一天就拥有24小时，差别只是珍惜。你若不相信努力和时光，时光一定第一个辜负你。有梦想就立刻行动，因为现在过的每一天，都是余生中最年轻的一天。3、无论正在经历什么，都请不要轻言放弃，因为从来没有一种坚持会被辜负。谁的人生不是荆棘前行，生活从来不会一蹴而就，也不会永远安稳，只要努力，就能做独一无二平凡可贵的自己。4、努力本就是年轻人应有的状态，是件充实且美好的事，可一旦有了表演的成分，就会显得廉价，努力，不该是为了朋友圈多获得几个赞，不该是每次长篇赘述后的自我感动，它是一件平凡而自然而然的事，最佳的努力不过是：但行好事，莫问前程。愿努力，成就更好的你！5、付出努力却没能实现的梦想，爱了很久却没能在
25、一起的人，活得用力却平淡寂寞的青春，遗憾是每一次小的挫折，它磨去最初柔软的心智、让我们懂得累积时间的力量；那些孤独沉寂的时光，让我们学会守候内心的平和与坚定。那些脆弱的不完美，都会在努力和坚持下，改变模样。6、人生中总会有一段艰难的路，需要自己独自走完，没人帮助，没人陪伴，不必畏惧，昂头走过去就是了，经历所有的挫折与磨难，你会发现，自己远比想象中要强大得多。多走弯路，才会找到捷径，经历也是人生，修炼一颗强大的内心，做更好的自己！7、“一定要成功”这种内在的推动力是我们生命中最神奇最有趣的东西。一个人要做成大事，绝不能缺少这种力量，因为这种力量能够驱动人不停地提高自己的能力。一个人只有先在心里肯
26、定自己，相信自己，才能成就自己！8、人生的旅途中，最清晰的脚印，往往印在最泥泞的路上，所以，别畏惧暂时的困顿，即使无人鼓掌，也要全情投入，优雅坚持。真正改变命运的，并不是等来的机遇，而是我们的态度。9、这世上没有所谓的天才，也没有不劳而获的回报，你所看到的每个光鲜人物，其背后都付出了令人震惊的努力。请相信，你的潜力还远远没有爆发出来，不要给自己的人生设限，你自以为的极限，只是别人的起点。写给渴望突破瓶颈、实现快速跨越的你。10、生活中，有人给予帮助，那是幸运，没人给予帮助，那是命运。我们要学会在幸运青睐自己的时候学会感恩，在命运磨练自己的时候学会坚韧。这既是对自己的尊重，也是对自己的负责。11
27、、失败不可怕，可怕的是从来没有努力过，还怡然自得地安慰自己，连一点点的懊悔都被麻木所掩盖下去。不能怕，没什么比自己背叛自己更可怕。12、跌倒了，一定要爬起来。不爬起来，别人会看不起你，你自己也会失去机会。在人前微笑，在人后落泪，可这是每个人都要学会的成长。13、要相信，这个世界上永远能够依靠的只有你自己。所以，管别人怎么看，坚持自己的坚持，直到坚持不下去为止。14、也许你想要的未来在别人眼里不值一提，也许你已经很努力了可还是有人不满意，也许你的理想离你的距离从来没有拉近过.但请你继续向前走，因为别人看不到你的努力，你却始终看得见自己。15、所有的辉煌和伟大，一定伴随着挫折和跌倒；所有的风光背后
28、，一定都是一串串揉和着泪水和汗水的脚印。16、成功的反义词不是失败，而是从未行动。有一天你总会明白，遗憾比失败更让你难以面对。17、没有一件事情可以一下子把你打垮，也不会有一件事情可以让你一步登天，慢慢走，慢慢看，生命是一个慢慢累积的过程。18、努力也许不等于成功，可是那段追逐梦想的努力，会让你找到一个更好的自己，一个沉默努力充实安静的自己。19、你相信梦想，梦想才会相信你。有一种落差是，你配不上自己的野心，也辜负了所受的苦难。20、生活不会按你想要的方式进行，它会给你一段时间，让你孤独、迷茫又沉默忧郁。但如果靠这段时间跟自己独处，多看一本书，去做可以做的事，放下过去的人，等你度过低潮，那些独处的时光必定能照亮你的路，也是这些不堪陪你成熟。所以，现在没那么糟，看似生活对你的亏欠，其实都是祝愿。,
