本章目的：熱設(shè)計(jì)概念，及預(yù)防控制手段。

1.熱設(shè)計(jì)目的

1）約40%以上的電子產(chǎn)品可靠性(壽命)故障是由溫度問題引起的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽命減少一半。

2）電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（電容影響最明顯）。

2.熱設(shè)計(jì)概念

綜合利用傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射三種換熱手段，設(shè)計(jì)發(fā)熱源至環(huán)境的低熱阻通路，以滿足設(shè)備散熱要求的過程稱為熱設(shè)計(jì)。

3.熱設(shè)計(jì)目的

熱設(shè)計(jì)的目的是為了保證產(chǎn)品在指定的環(huán)境規(guī)格條件下正常工作并達(dá)到產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)，從而滿足對(duì)產(chǎn)品各部分溫升的限制性要求。

熱設(shè)計(jì)目標(biāo)是可靠性目標(biāo)的一部份。

4.對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射概念

熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)或從物體高溫部分傳向低溫部分。其共有三種傳遞方式：

1）傳導(dǎo)
2）對(duì)流
3）輻射

4.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是物體直接接觸時(shí), 通過分子間動(dòng)能傳遞進(jìn)行能量交換的現(xiàn)象。

公式：Q = K A △t / L
Q ---- 傳導(dǎo)散熱量, W
K ---- 導(dǎo)熱系數(shù), W/m·℃
A ---- 導(dǎo)體橫截面積, m2
△t ---- 傳熱路徑兩端溫差, ℃
L ---- 傳熱路徑長(zhǎng)度, m

常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)：

鋁約180、壓鑄鋁120、鐵約40 、銅390（但銅的密度是鋁的3倍，重量、價(jià)格）,石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可以達(dá)到600，而且重量很輕。

導(dǎo)熱系數(shù)大，內(nèi)部溫差就小。

熱管是一種傳熱能力極高的結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)10000以上。

我們常常在芯片與散熱器之間增加導(dǎo)熱（絕緣）材料，是因?yàn)閮蓚€(gè)表面間凸凹不平，中間有空氣，需要用導(dǎo)熱性能好的材料填充。材料要求形狀適應(yīng)性好，盡可能薄、壓力大（注意芯片能承受的最大壓力）；

常見的導(dǎo)熱介質(zhì)材料有導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱軟硅膠墊片、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱相變材料等，適用場(chǎng)合各不相同；
由于導(dǎo)熱硅脂的填充性好，在兩個(gè)比較平的表面上，熱阻比其它導(dǎo)熱絕緣材料??；
目前常用導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8～1，但也有2、4、5，最大可達(dá)10。

 

4.2 對(duì)流

對(duì)流是流體通過一固體表面時(shí)發(fā)生的流體與固體壁面的換熱現(xiàn)象。

公式： Q = hc A △t
        Q ---- 對(duì)流散熱量, W
        hC ---- 換熱系數(shù), W/m2·℃
        A ---- 有效換熱面積, m2
       △t ---- 換熱表面與流體溫差, ℃

對(duì)流換熱量與兩個(gè)因素有關(guān)，表面流速與換熱面積。我們使用散熱片，實(shí)質(zhì)上就是增加換熱面積；

當(dāng)速度增加到一定程度后，換熱量的增加就不是很明顯；

通常，在風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻的情況，插箱單板間的風(fēng)速可超過1m/s。

4.3 輻射

輻射是通過電磁波傳遞熱量的過程。
公式：Q = ε · σ · T4
              Q ---- 輻射散熱量, W
              ε ---- 散熱表面輻射率, W/m2·℃
              σ---- 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),  5.67×108(W/m2K4)
              T ---- 絕對(duì)溫度, K

輻射換熱主要要求溫差大；
輻射率的影響因素：材料、表面粗糙度、波長(zhǎng)等；
對(duì)戶外設(shè)備，輻射率大，吸收率也大，因此要注意防輻射的措施；
對(duì)于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時(shí)，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對(duì)于強(qiáng)迫冷卻的設(shè)備，可以忽略輻射散熱。

5.熱設(shè)計(jì)流程

熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在機(jī)械各個(gè)行業(yè)都有運(yùn)用。

大部分所謂的熱設(shè)計(jì)指的是散熱的設(shè)計(jì)，但作者也接觸過PTC加熱產(chǎn)品，其實(shí)也是屬于熱設(shè)計(jì)的。

依據(jù)產(chǎn)品的不同，其結(jié)構(gòu)變動(dòng)較大，所以就很難有固定的標(biāo)準(zhǔn)。但總體的設(shè)計(jì)軌跡還是有軌跡可尋的，其細(xì)節(jié)部分有很多對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及文檔資料可以找到。設(shè)計(jì)這種有軌跡可以遵守的特征，按照總章的流程設(shè)計(jì)即可。

1）設(shè)計(jì)要求的明確與分析；（針對(duì)事物的問題所在）

2）對(duì)癥選用合適標(biāo)準(zhǔn)和文檔資料；

3）照章辦事；

4）專業(yè)化的表現(xiàn)；

5）特征優(yōu)化：書面形式的上升空間；

6）平時(shí)的積累，為第二步做準(zhǔn)備。

5.1 設(shè)計(jì)要求的明確與分析；（針對(duì)事物的問題所在）

機(jī)械也有很多的子行業(yè)，不同行業(yè)對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求是非常不一樣的。就如作者上述的加熱設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)就不可能相同。

一般對(duì)熱設(shè)計(jì)要求有：

1）溫度要求；

2）溫升等級(jí)；

3）壓力（或高度）；

4）太陽(yáng)或周圍其它物體的輻射熱載荷；

5）可利用的熱沉狀況（包括：種類、溫度、壓力和濕度等）；

6）冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降

5.2 對(duì)癥選用合適標(biāo)準(zhǔn)和文檔資料

5.2.1 選用合適結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)

1）冷卻方法的分類有：

①按冷卻劑與被冷元件之間的配置關(guān)系
a. 直接冷卻
b. 間接冷卻
②按傳熱機(jī)理
a. 自然冷卻（包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合）
b. 強(qiáng)迫冷卻（包括強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液體冷卻等）
c. 蒸發(fā)冷卻
d. 熱電致冷
e. 熱管傳熱
f. 其它冷卻方法

2）選擇冷卻方法時(shí)，主要考慮設(shè)備的熱流密度、體積功率密度、溫升、使用環(huán)境、用戶要求等。
注意：
①保證所采用的冷卻方法具有較高可靠性；
②冷卻方法應(yīng)具有良好的適應(yīng)性；
③所采用的冷卻方法應(yīng)便于測(cè)試、維修和更換；
④所采用的冷卻方法應(yīng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性；

 

3）自然散熱

當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度小于0.08w/cm2，體積功率密度不超過0.18w/cm3時(shí)，通?？刹捎米匀粚?duì)流冷卻。自然對(duì)流冷卻是利用空氣流過物體表面時(shí)的能量交換，利用空氣的密度與溫度關(guān)系(熱空氣往上走），將熱量帶走。
在自然散熱中，傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射都要考慮。

4）強(qiáng)迫風(fēng)冷

當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.08w/cm2，體積功率密度超過0.18w/cm3時(shí)，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需要外加動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)迫空氣冷卻。
強(qiáng)迫空氣冷卻一般是用通風(fēng)機(jī)，使冷卻空氣流經(jīng)電子元器件將熱量帶走。

5）熱阻

當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，遇到的阻力稱為導(dǎo)熱熱阻。

通常將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。

 

幾種降低傳熱熱阻的方法：

6）選擇散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，一般準(zhǔn)守的流程如下：

①按照傳熱機(jī)理選擇散熱方式，如選擇自然冷卻；

②從對(duì)流，傳導(dǎo)，輻射三大熱傳導(dǎo)方式中選擇合適的結(jié)構(gòu)組成自然冷卻。自然冷卻的話三種熱傳導(dǎo)手段都要考慮。

5.3 照章辦事

5.3.1 耐心解讀標(biāo)準(zhǔn)

5.3.2 作圖

5.3.3 熱仿真分析

仿真的步驟其實(shí)都差不多，但基于流體分析的細(xì)節(jié)要求，所以有些仿真難度會(huì)很高，但也建議結(jié)構(gòu)工程師一開始可以嘗試一些初步的熱仿真（如單板級(jí)以下的）。

熱仿真分析范圍包括：

①統(tǒng)級(jí)分析：著眼于機(jī)柜、插箱等整個(gè)系統(tǒng)，分析整個(gè)系統(tǒng)的流場(chǎng)、溫度分布情況；

5.4 專業(yè)化的表現(xiàn)

2）熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方向優(yōu)化：如將自然冷卻變更為強(qiáng)迫冷卻（結(jié)構(gòu)工程師工作范圍）。

5.6 平時(shí)的積累，為第二步做準(zhǔn)備

因?yàn)闆]有能一步一步按部就班的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，平時(shí)的積累就尤為重要了。

具體理由見對(duì)癥設(shè)計(jì)總章節(jié)吧，這里就不闡述了。

6. 熱設(shè)計(jì)的實(shí)例

這里作者介紹一些熱設(shè)計(jì)的實(shí)例，可作為標(biāo)桿設(shè)計(jì)的參考。

6.1 PCB板熱設(shè)計(jì)

6.1.1 采用散熱PCB

–印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱板;
–印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱條;
–印制線路板中間夾有導(dǎo)熱金屬芯。

導(dǎo)熱印制板在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意：由于金屬和環(huán)氧玻璃纖維板的熱膨脹系數(shù)差別較大，如膠接不當(dāng)，可能引起電路板翹曲。

6.1.2 印制板上電子元器件的熱安裝技術(shù)

安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導(dǎo)熱提供一條從元器件到印制板及機(jī)箱側(cè)壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。

①為降低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導(dǎo)熱絕緣膠直接將元器件粘到印制板或?qū)釛l（板）上。若不用粘結(jié)，應(yīng)盡量減小元器件與印制板或?qū)釛l（板）間的間隙。

②安裝大功率器件時(shí)，若采用絕緣片，可考慮導(dǎo)熱硅橡膠片。為了減小界面熱阻，還應(yīng)在界面涂一層薄的導(dǎo)熱膏。

③同一塊印制板上的元器件，應(yīng)按其發(fā)熱量大小及耐熱程度分區(qū)排列，耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上游（入口處），耐熱性好的器件放在最下游（出口處）。

④有大、小規(guī)模集成電路混合安裝的情況下，應(yīng)盡量把大規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的上游，小規(guī)模集成電路放在下游，以使印制板上元器件的溫升趨于均勻。

⑤因電子設(shè)備的工作溫度范圍較寬，元器件引線和印制板的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度循環(huán)變化及高溫條件下，應(yīng)注意采取消除熱應(yīng)力的一些結(jié)構(gòu)措施。如下圖所示。

對(duì)于具有軸向引線的圓柱形元件（如電阻、電容和二極管），應(yīng)當(dāng)提供的最小應(yīng)變量為2.54mm，如圖5-13a所示。

大型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應(yīng)像圖5-13b、c那樣留有較大的應(yīng)變量。

 

在印制板上安裝晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。這是一種不好的安裝方式，因?yàn)橐€的應(yīng)變量不夠，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)隨印制板厚度的熱脹冷縮而斷裂。

安裝晶體管的幾種較好方法如圖5-14(b)～(e)所示。

 

6.1.3 印制板導(dǎo)軌熱設(shè)計(jì)

印制板導(dǎo)軌起兩個(gè)作用：導(dǎo)向和導(dǎo)熱。

作為導(dǎo)熱用時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌與印制板之間有足夠的接觸壓力和接觸面積，并且保證導(dǎo)軌與機(jī)箱壁有良好的熱接觸。下圖是一些典型的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及其熱阻值。

 

6.1.4 印制板的合理間距

–對(duì)于依靠自然通風(fēng)散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應(yīng)考慮氣流流向的合理性。

–對(duì)于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時(shí)的表面溫升較水平放置時(shí)小。

–豎直安裝的印制電路板，自然散熱時(shí)的最小間距應(yīng)為19mm，以防止自然流動(dòng)的收縮和阻塞。

6.2 散熱器的選擇

6.2.1 散熱器的選擇流程

根據(jù)元器件的熱流密度、體積功率密度、溫升要求及散熱方式（自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷），確定是否加裝散熱器。

一般地說，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2， 體積功率密度超0.18W/cm3，須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

當(dāng)然，應(yīng)用上述這個(gè)判據(jù)是有前提的：一是上述方法是假設(shè)熱量均勻分布在整個(gè)設(shè)備的體積中；二是設(shè)備內(nèi)的熱量能充分地傳到設(shè)備表面。

根據(jù)器件功耗、環(huán)境條件及器件溫度降額要求的允許結(jié)溫，確定散熱器的形狀并通過計(jì)算，計(jì)算出散熱器的表面積。

6.2.2 選用散熱器，降低散熱器熱阻

下圖為安裝于散熱器上的功率器件等效熱路圖

RTj——功率器件的內(nèi)熱阻，通常由器件的制造廠家提供；
RTp——器件殼體直接向周圍環(huán)境的換熱熱阻，稱為器件的外熱阻；
RTc——器件與散熱器安裝面之間的接 觸熱阻；
 RTc——散熱器熱阻。

由于RTp遠(yuǎn)大于其它熱阻值，因此總熱阻計(jì)算式為：

RT=RTj+RTc+RTf；

設(shè)計(jì)要求功率器件的結(jié)溫應(yīng)滿足：

tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；

6.2.3 還要注意的幾點(diǎn)

1）散熱器表面應(yīng)進(jìn)行氧化發(fā)黑處理,以增強(qiáng)輻射換熱效果。在自然對(duì)流情況下, 輻射換熱作用較突出,可以提高25%的散熱量, 所以, 除非是器件附近有高熱源, 散熱器表面都應(yīng)涂覆或氧化發(fā)黑處理以提高輻射性能。

2）散熱器的材質(zhì)，一般推薦選用鋁型材、鑄鋁或純銅。

3）根據(jù)要求，可以選用平板式散熱器、鋁型材散熱器、叉指型散熱器；也可以選擇熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vapor chamber)散熱器，石墨散熱器。

4）鋁型材散熱器的齒面應(yīng)加波紋齒，型材散熱器的肋片表面增加波紋可以增加10%到20%的散熱能力，波紋齒的高度為0.5mm，寬度為0.5mm～1mm，以增加對(duì)流換熱效果。

5）應(yīng)保證鋁型材散熱器基板有一定厚度，以減小傳導(dǎo)熱阻。

6）散熱器性能與垂直氣流方向的寬度成正比，與氣流方向長(zhǎng)度的平方根成正比，所以增加散熱器寬度的效果要好于增加長(zhǎng)度；對(duì)于散熱器的流向長(zhǎng)度大于300mm，應(yīng)把散熱器的齒片從中間斷開，以增加空氣擾動(dòng)，提高對(duì)流換熱效果。

6.2.4 散熱器的安裝要求

 1）器件與散熱器的接觸面應(yīng)保持平整光潔,散熱器的安裝孔要去刺。
 2）器件與散熱器和導(dǎo)熱絕緣膜間的所有接觸面處應(yīng)涂導(dǎo)熱硅脂或加其它導(dǎo)熱絕緣材料。
 3）免涂導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱絕緣膜在接觸面處可以不涂導(dǎo)熱硅脂。
 4）對(duì)于自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與水平面垂直,以增強(qiáng)自然對(duì)流效果；對(duì)于強(qiáng)迫冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與風(fēng)的流向平行。
 5）為了減少器件與散熱器之間的接觸熱阻，應(yīng)適當(dāng)增加接觸力。為避免使元器件受力，散熱器須有適當(dāng)?shù)墓潭ㄖ巍?/span>

6.2.5 散熱器的加工工藝

①Stamped沖壓件

②Aluminum extrusions (鋁擠壓)

③Casting (鑄造，壓鑄)

④Bonded & swaged fin (插齒)

⑤Folded fin assemblies (折疊齒)

 

⑥Skived (鏟削)

6.3 熱管

熱管的構(gòu)成如下圖所示：

 

熱管主要包括三個(gè)部分：外殼、工作流質(zhì)和毛細(xì)吸液層。

通常外殼材料為純銅；工作流質(zhì)為純凈水（對(duì)于其他用途的熱管，工作流質(zhì)也可為其它種類），含量很少；根據(jù)熱管內(nèi)部毛細(xì)層的不同，常見的熱管可分為纖維型、溝槽型、篩網(wǎng)型和燒結(jié)型，其中溝槽型和燒結(jié)型應(yīng)用最廣，各種類型熱管的優(yōu)、缺點(diǎn)如下表所示。

 

熱管是一種傳導(dǎo)率非常高的導(dǎo)熱材料，可達(dá)30000 W/m.℃以上，熱管的導(dǎo)熱率不是恒定的。在一定范圍內(nèi)，通常受熱端溫度越高，則熱管導(dǎo)熱率越高。但是當(dāng)溫度到達(dá)一定程度時(shí)，熱管的導(dǎo)熱率會(huì)急劇下降，造成失效。因此對(duì)于不同規(guī)格的熱管，都有一個(gè)最大傳輸功率。

 還有可以作為結(jié)構(gòu)工程師可以學(xué)習(xí)一點(diǎn)簡(jiǎn)單的熱仿真，這也是加分點(diǎn)。