电子设备热设计基本知识PPT(51张)
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电子设备热设计讲座
四、热阻的确定
确定热阻的步骤
RMA
亿腾科技
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
t Rt
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。 a. 平壁导热热阻： Rt A 1 b. 对流换热热阻： Rt hc A
电子设备热设计/热分析工程实践
深圳亿腾科技
RMA
亿腾科技
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
RMA
亿腾科技
热分析的两个主要目的
1. 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
RMA
亿腾科技
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
RMA
亿腾科技
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 亿腾科技 f. 其它冷却方法
d 气体： R 1 1.77 R
d 液体： R 1 10.3 R
其中R为弯管曲率半径。
3
RMA
电子组装工艺和设备第二章电子设备的热设计第1节概述-PPT文档资料
对流换热量的计算关系为：
Q t t F tF w f
Q—对流换热量；
tw、tf—壁面和流体的平均温度； F—换热面积，； α —平均对流换热系数，它表示当流体和 壁面的温度差为1℃时，在单位时间内单 位壁面面积和流体交换的热量，它的大小 说明对流换热的强弱。
将上式改写成
在流体和平板的温度不随时间变化 的情况下，整个的传热过程如下： 左边的热流体将热量首先传递给左 侧板面，然后此热量由左侧板面传递 给右侧板面，最后同一热量又由右侧 板面传递给冷流体，可以看作是一个 对流换热-导热-对流换热的综合过程， 从而实现了热量从热流体通过间壁传 递给冷流体的过程。
从热流体到左侧壁面的热传递属于对流换 热过程，其传递的热量为
热设计定义 就是根据传热学的基本原理,采取各种 散热手段，使设备的工作温度不超过其极 限温度，从而保证电子设备在预定的环境 条件下稳定可靠地工作。
热设计分类 按传热机理： 自然冷却 强迫冷却 液体冷却 蒸发冷却
冷却方法的选择 依据：热流密度、表面散热功率系数、 体积发热功率系数 热流密度：单位面积（1平方米）的截面内 单位时间（1秒）通过的热量。 表面散热功率系数：单位面积内所能散发 出去的功率大小。 体积发热功率系数：单位体积内发热功率 的大小。
KF F F 2 F 1
即它是三个热阻的串联， 热流体的对流换热热阻1/(1F)； 平壁的导热热δ /(λ F)； 冷流体的对流换热热阻1/(2F)
热的传递方式
热是物体的内能，称为热能。哪里有 温度差，哪里就有换热现象，就有热 量传递。热量总是自发地由高温物体 传向低温物体。 热能的传递方式主要有三种：热传导、 对流换热、辐射换热。
第二讲电子设备热设计方法
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2 C W ]
强制对流 自然对流
Nu
hd
Nu CRem Pr n
Nu C(Gr Pr )n
柯尔朋传热因子 紧凑式换热面
j Nu Pr 1/3 Re
j CRem
h jucp Pr 2/3
表面换热系数Leabharlann 算一、自然对流换热的准则方程
Nu CRan
第二讲 电子设备热设计基本知识
一热源和耗散功率
电子设备只要通电就有发热，是热源，其 产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发 热功率）是热设计的基础。可以采用试验和 理论计算来确定。一般都增加安全系数，保 守取值，适当取高些。
热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温 度和最大热耗散的情况下设计。
耗散功率计算：
式中：Nu —— 努谢尔特数，Nu=hD/λ； Ra —— 瑞利数，Ra=Gr·Pr； Gr —— 格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2； 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平均值； h —— 自然对流换热系数， W/(m2·℃)； D —— 特征尺寸， m； λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
电子产品热设计与工程案例分析PPT课件
解决热阻的办法，两方面入手： ➢ 控制电子元器件的内热阻 ➢ 控制电子元器件或整机设备的外热阻。
1.2 热源与热阻
热阻定义：Biblioteka RtT Q( K/W)
外热阻的控制方式： （1）散热
利用空气或液体作为冷却介质，靠自然对流或强制对流方式，带走耗热。 （2）制冷
利用热电冷却、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式进行制冷，使设备工作环境温度低于 周围环境温度。 （3）恒温
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。
应用例：芯片封装
热阻的电网络模拟 从晶片传到外壳经过5个环节 • 晶片的热阻； • 晶片粘接剂（导热胶）热阻 • 基底(substrate)的热阻 • 基底粘接剂（焊锡）热阻 • 封装(package)的热阻
• 定义3——利用热传递特性，针对耗热对象，采用合适的结构设计和冷却技术，对其温升进行控制， 保证其正常、可靠工作。
1.1 准确认识热设计
➢ 热设计分科界定
（1）热设计（热结构） 在所处环境下，合理设计热传递结构、冷却方法，保障设备内所有元器件不超过最高允
许温度。
（2）热分析（热模拟） 利用数理模型，或通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布，预先发现产品的热缺陷，
自然对流
Nu c(GrPr)n
强迫对流
Rt
1
A
Nu cRemPrn
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数： 雷诺数：
普朗特数： 格拉晓夫数：
Nu
L
对流换热 导热
Re
uL
惯性力 粘性力
Pr
cp
动量扩散 热量扩散
Gr
1.2 热源与热阻
热阻定义：Biblioteka RtT Q( K/W)
外热阻的控制方式： （1）散热
利用空气或液体作为冷却介质，靠自然对流或强制对流方式，带走耗热。 （2）制冷
利用热电冷却、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式进行制冷，使设备工作环境温度低于 周围环境温度。 （3）恒温
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。
应用例：芯片封装
热阻的电网络模拟 从晶片传到外壳经过5个环节 • 晶片的热阻； • 晶片粘接剂（导热胶）热阻 • 基底(substrate)的热阻 • 基底粘接剂（焊锡）热阻 • 封装(package)的热阻
• 定义3——利用热传递特性，针对耗热对象，采用合适的结构设计和冷却技术，对其温升进行控制， 保证其正常、可靠工作。
1.1 准确认识热设计
➢ 热设计分科界定
（1）热设计（热结构） 在所处环境下，合理设计热传递结构、冷却方法，保障设备内所有元器件不超过最高允
许温度。
（2）热分析（热模拟） 利用数理模型，或通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布，预先发现产品的热缺陷，
自然对流
Nu c(GrPr)n
强迫对流
Rt
1
A
Nu cRemPrn
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数： 雷诺数：
普朗特数： 格拉晓夫数：
Nu
L
对流换热 导热
Re
uL
惯性力 粘性力
Pr
cp
动量扩散 热量扩散
Gr
第12章 电子产品热设计
• 12.2.3电子产品热控制的目的 • 12.2.4电子元器件与模块的热设计 1.电子元器件的热设计 2.电子模块的热设计
变压器热设计处理
12.3 笔记本电脑散热设计实例分析
• 12.3.1笔记本电脑热源追踪 • 12.3.2笔记本与台式电脑散热比较
• 12.3.3 笔记本散热方式
1.风扇散热
3.机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好 4.在机壳内外表面黑化的基础上，合理改进通风结构
5.通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风口的进出应开在 温差最大的两处，进风口要低，出风口要高
6.在自然散热时，通风孔面积的计算至关重要
7.结构要简单，不易落灰，又要满足强度，电磁兼容性要求和美观大方
比如，使用风冷散热器的体系在运行CPU负载较大时， 会在短时间内出现温度热尖峰，或可能超出CPU警戒温 度，而水冷散热体系则由于热容积大，热波动相对要小 得多。
CPU的水冷散热系统
水冷系统下的笔记本温度曲线
12.3.4埃普八爪鱼笔记本散热器
埃普八爪鱼散热底座是由著名的精辉公司针对桌面支架系 统推出的新款人体工程学支架，参考八爪鱼仿生学设计，主 体采用铝合金结构和高强度工程塑料材料，设计精巧，做工 优良，外观造型独特，具有很高的实用性和便携性。
用美属主 观电体 耐镀采 供用，用 电，质的 ，并感是 提配高铝 高有档合 电两的金 脑个同压 散高时铸 热速保， 性静障表 能音了面 。风使细 扇用喷 ，强沙 采度金
USB
埃普八爪鱼散热底座的包装
细节欣赏
未使用八爪鱼散热器前鲁大师测试结果
使用八爪鱼散热器后鲁大师软件测试结果
12.4电子产品热设计实例： IBM“芯片帽”芯片散热系统
电子产品热设计原理和原则培训课件
01
服务器热设计案例
Dell PowerEdge R740
02
热设计挑战
服务器内部通常有多颗处理器和多个硬盘，发热量大，且需要保证长时
间稳定运行，对散热要求极高。
03
解决方案
Dell PowerEdge R740采用了高效的风道设计和多风扇散热系统，同时
使用了液冷技术，如冷板式和浸没式液冷，来将热量快速散发出去。
自然散热技术是指利用自然对流和辐射散热的方式，将电子产品的热量传递到周围 环境中。
自然散热技术适用于低功耗、低发热的电子产品，如小型电子设备、遥控器等。
自然散热技术的优点是结构简单、成本低、可靠性高，缺点是散热效果受环境温度 影响较大，散热效率较低。
强制风冷散热技术
强制风冷散热技术是指通过风扇等机 械通风装置，强制将冷空气吹向发热 元件，将热量带走并排放到周围环境 中。
详细描述
导热是热设计中的基本原理之一，主要通过固体材料的晶格结构和自由电子的 运动传递热量。热量从高温向低温传递，传递速率与材料的导热系数成正比。 常见的导热材料包括金属、石墨烯、金刚石等。
对流换热原理
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，涉及到流体中质点的宏观运 动和流体分子与固体表面之间的微观相互作用。
电子产品热设计的目标与原则
目标
确保电子产品在工作过程中温度 处于安全范围内，防止过热，保 证稳定运行。
原则
合理选择散热方式、优化散热结 构、降低热阻、提高散热效率。
电子产品热设计的基本流程
选择散热方式
根据实际情况选择自然散热、 强制散热或热管散热等散热方 式。
仿真与优化
利用热仿真软件对设计进行仿 真，分析散热效果，并根据仿 真结果进行优化。
电子设备热设计培训资料
电子设备热控制技术
2019年8月北京
电子设备热控制(设计)技术
热设计理论基础 热设计基本原理
蒸发冷却 热电致冷
自然冷却 强迫风冷 液体冷却
热管传热 热测试技术 低热阻及高效热控制技术
电子设备热(控制)设计参考资料
1、《电子设备热控制与分析》 2、《电子设备结构设计原理》 3、《电子设备冷却技术》 4、《微电子设备的换热》 5、《GJB/Z27电子设备可靠性热设计》 6、《Thermal computation of Electronic Equipment》 7、《电子机器的热对策》（日文）
w1 wi1
( w)
接触热阻的影响因素
接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律 接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度） 非接触间隙的平均厚度 间隙中介质种类（真空、液体、气体等） 接触表面的硬度 接触表面的压力大小 接触表面的氧化程度和清洁度 接触材料的导热系数
减小接触热阻的方法
在接触表面涂一薄层导热脂（膏） 加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料
v
kcAatw1tw2
自然冷却设计原则
（1）提高设备内部电子元件向机壳的传热 能力
（2）提高机壳向外界的传热能力 （3）尽量降低传热路径各个环节的热阻，
形成一条低热阻热流通路
电子设备自然冷却设计技术
自然冷却设备的结构因素
机壳热设计
机壳表面处理
机壳通风孔面积
A (cm ) 0
2
0 7.41 05Ht1.5
消除热应力的元件安装方法
（a）
（b）
（c）
导轨结构形式
（a） 条件
（b）
（c）
各种导轨的热阻值(℃.mm/W)
(A)
2019年8月北京
电子设备热控制(设计)技术
热设计理论基础 热设计基本原理
蒸发冷却 热电致冷
自然冷却 强迫风冷 液体冷却
热管传热 热测试技术 低热阻及高效热控制技术
电子设备热(控制)设计参考资料
1、《电子设备热控制与分析》 2、《电子设备结构设计原理》 3、《电子设备冷却技术》 4、《微电子设备的换热》 5、《GJB/Z27电子设备可靠性热设计》 6、《Thermal computation of Electronic Equipment》 7、《电子机器的热对策》（日文）
w1 wi1
( w)
接触热阻的影响因素
接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律 接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度） 非接触间隙的平均厚度 间隙中介质种类（真空、液体、气体等） 接触表面的硬度 接触表面的压力大小 接触表面的氧化程度和清洁度 接触材料的导热系数
减小接触热阻的方法
在接触表面涂一薄层导热脂（膏） 加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料
v
kcAatw1tw2
自然冷却设计原则
（1）提高设备内部电子元件向机壳的传热 能力
（2）提高机壳向外界的传热能力 （3）尽量降低传热路径各个环节的热阻，
形成一条低热阻热流通路
电子设备自然冷却设计技术
自然冷却设备的结构因素
机壳热设计
机壳表面处理
机壳通风孔面积
A (cm ) 0
2
0 7.41 05Ht1.5
消除热应力的元件安装方法
（a）
（b）
（c）
导轨结构形式
（a） 条件
（b）
（c）
各种导轨的热阻值(℃.mm/W)
(A)
电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)
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
辐射：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
R1
R=U/I
U Rt1
I
R2
R3
自然对流 natural
对流方式
强迫对流 forced
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
过 程 h/[W(m2k)] 1～10 200～1000 20～100 500～3500 1000～15000 2500～3500 5000－25000 自然对流 空气 水 强迫对流 气体 高压水蒸气 水 水的相变换热 沸腾 蒸汽凝结
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： t 和相互接触。 导热的基本定律：Fourier 定律
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
电子行业电子设备热设计第三讲
电子行业电子设备热设计第三讲一、概述在电子行业中，电子设备的热设计是非常关键的一项工作。
合理的热设计可以保证电子设备的稳定性和可靠性，同时也可以提高电子设备的性能和寿命。
本文将对电子行业电子设备热设计的一些基本概念和方法进行介绍，帮助读者更好地理解和应用热设计在电子设备中的作用。
二、热设计的重要性在电子设备中，由于电子器件的工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，就会导致电子设备的温度升高，进而影响设备的性能和寿命。
因此，热设计成为了电子设备设计中不可忽视的一个重要环节。
在电子设备热设计中，常用的指标包括温度上限、温度梯度和温度均匀性等。
温度上限表示设备能够承受的最高温度，一旦超过该温度，设备就有可能出现损坏或者失效的情况。
温度梯度表示设备内部不同位置的温度差异，过大的温度梯度可能导致部分电子器件工作不稳定。
温度均匀性表示设备内部不同部分的温度分布是否均匀，均匀的温度分布可以提高设备的可靠性和寿命。
三、热设计的基本原理1. 热传导热传导是热设计中最基本的过程，它描述了热量从高温区域传递到低温区域的过程。
在电子设备中，热传导通常是通过导热材料的传导实现的，如铜、铝等具有良好导热性能的材料。
通过合理选择导热材料，可以提高电子设备的散热效果，减少设备的温度上升。
2. 热对流除了热传导外，热对流也是电子设备热设计中常用的散热方式之一。
热对流是指热量通过流体的对流传送，如空气、水等。
在电子设备中，通常通过风扇或者散热片等装置来增加空气流动，加速热量的传输。
合理布置散热片和风扇，可以有效地提高电子设备的散热效果，降低设备的工作温度。
3. 热辐射除了热传导和热对流外，热辐射也是电子设备热设计中需要考虑的因素之一。
热辐射是指热量以电磁波的形式传播，不需要依靠介质传递。
在电子设备中，一些高温的零部件，如芯片和电阻等，会通过热辐射的方式散热。
通过合理设计设备结构和热辐射面积，可以提高设备的散热效果，降低设备的温度。
电子设备热设计培训资料
准则方程
n Num c Gr P r m
hc A(t wc t f )
Gr Pr
竖放平 板柱体 水平板 (热面朝上) ＜109
流态 层流
C
0.59
n
1/4
特征尺寸 高度
＞109
＜2×107 ＞2×107
紊流
层流 紊流 层流
0.10
0.54 0.15 0.27
1/3
1/4 1/3 1/4 正方形取边长 圆盘取0.901 狭长条取短边 矩形L=2ab/(a+b)
机壳热设计
• 电子设备的机壳是接受内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重 要组成部分。机壳的热设计在采用自然冷却和一些密封式的电子设备中 显得格外重要。为了说明机壳结构对电子设备温度的影响，可以通过图3 所示的实验装置加以说明。其中热源为80W，位于实验装置的中心位置， 机壳用各种不同结构形式的铝板制成，可进行任意组合，以便满足不同 结构形式的需要，实验装置尺寸为404×304×324mm
接触热阻与表面粗糙度 接触压力的关系
5
W-1· cm2） 接触热阻/（℃·
表面粗糙度/μm
4
3
钢
2
1
铝
0 0.5 1.0 1.5 2.0
接触压力/MPa
对流换热影响因素
流体流动发生的原因(自然对流与强迫对流)
流体流动的状态(层流与紊乱流) 流体的物理性质(导热系数,比热,密度,黏度等) 换热面的几何形状和位置(平板,圆管,肋面
肋效率：
thml ml
热 阻
导热热阻 对流热阻 辐射热阻 接触传热
Rt
kA
( C W )
Rt
n Num c Gr P r m
hc A(t wc t f )
Gr Pr
竖放平 板柱体 水平板 (热面朝上) ＜109
流态 层流
C
0.59
n
1/4
特征尺寸 高度
＞109
＜2×107 ＞2×107
紊流
层流 紊流 层流
0.10
0.54 0.15 0.27
1/3
1/4 1/3 1/4 正方形取边长 圆盘取0.901 狭长条取短边 矩形L=2ab/(a+b)
机壳热设计
• 电子设备的机壳是接受内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重 要组成部分。机壳的热设计在采用自然冷却和一些密封式的电子设备中 显得格外重要。为了说明机壳结构对电子设备温度的影响，可以通过图3 所示的实验装置加以说明。其中热源为80W，位于实验装置的中心位置， 机壳用各种不同结构形式的铝板制成，可进行任意组合，以便满足不同 结构形式的需要，实验装置尺寸为404×304×324mm
接触热阻与表面粗糙度 接触压力的关系
5
W-1· cm2） 接触热阻/（℃·
表面粗糙度/μm
4
3
钢
2
1
铝
0 0.5 1.0 1.5 2.0
接触压力/MPa
对流换热影响因素
流体流动发生的原因(自然对流与强迫对流)
流体流动的状态(层流与紊乱流) 流体的物理性质(导热系数,比热,密度,黏度等) 换热面的几何形状和位置(平板,圆管,肋面
肋效率：
thml ml
热 阻
导热热阻 对流热阻 辐射热阻 接触传热
Rt
kA
( C W )
Rt
第一章电子设备热设计基本知识
F12 —— 两物体表面的角系数。
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。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
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248mm×381mm
×432mm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？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
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。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
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248mm×381mm
×432mm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？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
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（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。△T＝RQ 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θjc。 外热阻：
0.0064（在25℃和应力 105 比0.3）
0.001（在25℃和应力 95 比0.5）
0.0267（在85℃） 0.0008（在25℃）
60
0.0065（在100℃和 0.0003（在25℃和应力 75
应力比0.5）
比0.5）
7:1 5:1 47:1 33:1 22:1
热对系统可靠性的影响
以金属膜电阻器为例： 金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：
(
故 0.30 障 率
故 0.20
障 数
0.15
0.10
0.05
0
微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%)
可变电阻 电阻 50 100 150 200
温度(℃)
F/10 6h)
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）
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
元器件类别
基本失效率，λ b（10-6/h）
高温
室温
温升
高温与室温
△T（℃） 失效率之比
PNP硅晶体管 NPN硅晶体管 玻璃电容器 变压器与线圈 碳膜合成电阻器
0.063（在130℃和 应力比0.3）
0.033（在130℃和 应力比0.3）
0.047（在120℃和 应力比0.5）
0.0096（在25℃和应力 105 比0.3）
Rt2
t
Rt3
Thermal Sink
(environment)
I
U
R2
R3
Rt = t / Q
热阻与热流量和温度的关系
热设计基本考虑
降低热耗
Rt = t / Q
• 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。
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
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
辐射：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
R1
R=U/I
Rt1
/q
p bEQR
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：
MTBF＝ 1
P
Байду номын сангаас该式中：
P P 1 P 2
pn
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。
热设计的有关概念
（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”。Heat Sink
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 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。
电子设备热设计
付桂翠
北京航空航天大学
电子设备热设计
一．热设计基本知识 二．热设计理论基础 三．热设计的方法 四．热分析 五．热试验
热设计基本知识
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。
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
热设计的有关概念
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。
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、 可靠地工作。
（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。△T＝RQ 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θjc。 外热阻：
0.0064（在25℃和应力 105 比0.3）
0.001（在25℃和应力 95 比0.5）
0.0267（在85℃） 0.0008（在25℃）
60
0.0065（在100℃和 0.0003（在25℃和应力 75
应力比0.5）
比0.5）
7:1 5:1 47:1 33:1 22:1
热对系统可靠性的影响
以金属膜电阻器为例： 金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：
(
故 0.30 障 率
故 0.20
障 数
0.15
0.10
0.05
0
微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%)
可变电阻 电阻 50 100 150 200
温度(℃)
F/10 6h)
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）
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
元器件类别
基本失效率，λ b（10-6/h）
高温
室温
温升
高温与室温
△T（℃） 失效率之比
PNP硅晶体管 NPN硅晶体管 玻璃电容器 变压器与线圈 碳膜合成电阻器
0.063（在130℃和 应力比0.3）
0.033（在130℃和 应力比0.3）
0.047（在120℃和 应力比0.5）
0.0096（在25℃和应力 105 比0.3）
Rt2
t
Rt3
Thermal Sink
(environment)
I
U
R2
R3
Rt = t / Q
热阻与热流量和温度的关系
热设计基本考虑
降低热耗
Rt = t / Q
• 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。
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
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
辐射：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
R1
R=U/I
Rt1
/q
p bEQR
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：
MTBF＝ 1
P
Байду номын сангаас该式中：
P P 1 P 2
pn
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。
热设计的有关概念
（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”。Heat Sink
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 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。
电子设备热设计
付桂翠
北京航空航天大学
电子设备热设计
一．热设计基本知识 二．热设计理论基础 三．热设计的方法 四．热分析 五．热试验
热设计基本知识
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。
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
热设计的有关概念
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。
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、 可靠地工作。