SH第1部分电子设备热设计基本概念

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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。

电子产品热设计培训稿

首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。
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。
16
三、机箱自然对流热设计影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距电子元件耗散功率及布局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差机箱表面积
（4）各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路，以提高系统的可靠性。
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二、热设计的方法
（三）热设计遵循的原则
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。
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一、热设计基本知识
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。这个热流量就是功耗。
0.90
0.90
85
100
115
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二、热设计的方法
（二）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。
由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计方法如图 7 所示。

电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)

Thermal Sink
(environment)
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，但从热流密度的角器件的热耗，度看，不可一概而论。度看，不可一概而论。 • • 控制周围环境向器件的热量传递。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（摩擦热的传输等）。从结构措施上减小动力增温（如摩擦热的传输等）。
热对系统可靠性的影响
据统计电子设备的失效原因中有55 是由于温度过高引起的。 55％（1）电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的。电子元器件温度每升高10℃ 其可靠性下降一倍。 10℃，（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
热设计的目的
电子设备的热设计系指利用热传递特性电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的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，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、以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、温升进行控制，可靠地工作。可靠地工作。热传递的方式：传导、对流、辐射。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一般来说，的比例分别为60％、20％、20 的比例分别为60％、20％、20％。 60％、20％、20％。
热设计的有关概念
（5）热流密度单位面积的热流量。单位面积的热流量。（6）体积功率密度单位体积的热流量。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、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。热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是 /W。 ℃/W。

电子行业电子设备热设计基础

电子行业电子设备热设计基础引言在电子行业中，电子设备的热设计是非常重要的。

随着电子设备的不断发展，其功能越来越强大，性能越来越高，工作时产生的热量也越来越大。

如果电子设备的热量不能有效地散出去，会导致设备过热，影响设备的性能甚至损坏设备。

因此，合理的热设计对于电子设备的可靠性和稳定性至关重要。

本文将介绍电子行业电子设备热设计的基础知识，包括热传导、热辐射、热对流等方面的内容，帮助读者了解电子设备热设计的重要性并掌握一些基本的设计原则和方法。

热传导热传导是指热能通过物质的传导方式传递的过程。

在电子设备中，常见的热传导方式有三种：导热、对流和辐射。

导热导热是通过物质内部的分子或电子的碰撞传递热能的过程。

导热的速度和效率取决于物质的热导率和传热面的接触情况。

为了提高导热效率，我们可以采用导热材料，如铜、铝等，作为散热板或散热片，将其与电子元件紧密接触以增大接触面积。

对流对流是指热量通过流体（如空气）的对流传递的过程。

当电子设备工作时产生的热量无法直接通过导热方式散出去时，就需要依靠对流来进行热散热。

在设计电子设备时，我们需要合理设置散热孔和散热风扇等设备，以增加热量与周围空气的接触面积，提高对流散热效率。

辐射辐射是指热能以电磁辐射的形式传递的过程。

热辐射是无需传递介质的热传递方式，在电子设备中发挥重要作用。

通过合理设置散热片、散热器等辐射表面，可以增大辐射能量的发射和吸收。

此外，还可以利用红外线热成像等技术来监测电子设备中的热辐射情况，及时发现问题并采取相应的措施。

设计原则和方法在进行电子设备热设计时，需要遵循一些基本的设计原则和方法，以确保设备的稳定运行和长寿命。

合理布局在电子设备的布局设计中，需要考虑到热量的产生和散热的位置。

将产热元件和散热结构合理布置，减少热量在设备内部的积聚，有利于热量的迅速散出，提高散热效率。

优化散热结构为了提高散热效果，可以采用散热片、散热器等散热结构来增大热量与周围环境的接触面积。

电子产品热设计

目录摘要： (2)第1章电子产品热设计概述： (2)第1.1节电子产品热设计理论基础 (2)1.1.1 热传导： (2)1.1.2 热对流 (2)1.1.3 热辐射 (2)第1.2节热设计的基本要求 (3)第1.3节热设计中术语的定义 (3)第1.4节电子设备的热环境 (3)第1.5节热设计的详细步骤 (4)第2章电子产品热设计分析 (5)第2.1节主要电子元器件热设计 (5)2.1.1 电阻器 (5)2.1.2 变压器 (5)第2.2节模块的热设计 (5)电子产品热设计实例一：IBM “芯片帽”芯片散热系统 (6)第2.3节整机散热设计 (7)第2.4节机壳的热设计 (8)第2.5节冷却方式设计： (9)2.5.1 自然冷却设计 (9)2.5.2 强迫风冷设计 (9)电子产品热设计实例二：大型计算机散热设计： (10)第3章散热器的热设计 (10)第3.1节散热器的选择与使用 (10)第3.2节散热器选用原则 (11)第3.3节散热器结构设计基本准则 (11)电子产品热设计实例三：高亮度LED封装散热设计 (11)第4章电子产品热设计存在的问题与分析： (15)总结 (15)参考文献 (15)电子产品热设计摘要：电子产品工作时，其输出功率只占产品输入功率的一部分，其损失的功率都以热能形式散发出去，尤其是功耗较大的元器件，如：变压器、大功耗电阻等，实际上它们是一个热源，使产品的温度升高。

因此，热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一，是制约产品小型化的关键问题。

另外，电子产品的温度与环境温度有关，环境温度越高，电子产品的温度也越高。

由于电子产品中的元器件都有一定的温度范围，如果超过其温度极限，就将引起产品工作状态的改变，缩短其使用寿命，甚至损坏，使电子产品无法稳定可靠地工作。

第1章电子产品热设计概述：电子产品的热设计就是根据热力学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。

设备的热设计

电子设备结构设计原理---电子设备热设计情景1 机构的分析与选用
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一、热设计基本知识
热控制基本原则: 3.2 热控制基本原则: 热控制系统设计的基本任务是在热源和热沉之间建立一条低热阻的通道，和热沉之间建立一条低热阻的通道，保证热量迅速传递出去，证热量迅速传递出去，以便满足可靠性要求。要求。 1)可用性 1)可用性 3)相容性 3)相容性 2)可靠性 2)可靠性 4)维修性 4)维修性
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二、电子设备热设计理论基础
2、对流换热 1）对流换热：流动的流体（液体或气对流换热：流动的流体（与固体面直接接触时，体）与固体面直接接触时，由于温差引起的相互之间的热能传递。引起的相互之间的热能传递。对流换热时既有流体分子间的导热作又有流体本身的对流作用。用，又有流体本身的对流作用。所以对流换热是一种复杂的换热过程。换热是一种复杂的换热过程。
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二、电子设备热设计理论基础
温度梯度： 2) 温度梯度：
∆t ∂t lim =n ∆n ∂n
20 30 40
50
等温面法线方向上温度增量与法向距离之比的极限称为温度梯度
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二、电子设备热设计理论基础
在多层壁材料的导热计算时，在多层壁材料的导热计算时，一般都是假设层与层间完全紧密接触的理想情况。实际上，情况。实际上，接触表面不可能绝对平整和光滑，即实际是离散接触。整和光滑，即实际是离散接触。这样，在接触面处就会出现温差，这样，在接触面处就会出现温差，这种在接触面处产生的附加热阻，这种在接触面处产生的附加热阻，称为接触热阻

电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及进展

电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及进展一、本文概述随着电子技术的飞速发展和广泛应用，电子设备热分析、热设计及热测试技术在保障电子设备性能稳定、提升系统可靠性以及延长设备寿命等方面发挥着越来越重要的作用。

本文旨在对电子设备热分析、热设计及热测试技术的当前综述及进展进行全面探讨，以期为相关领域的研究与应用提供有益的参考。

本文将首先概述电子设备热分析、热设计及热测试技术的基本概念、原理及其在电子设备中的重要性。

随后，将详细介绍当前热分析技术的最新进展，包括数值分析、实验测量以及仿真模拟等方面的技术突破和应用实例。

在热设计方面，本文将探讨新型散热结构、材料以及优化算法的研究与应用，以提高电子设备的散热效率和可靠性。

本文将综述热测试技术的发展动态，包括新型测试方法、测试设备以及测试标准的制定与实施。

通过本文的综述，读者可以对电子设备热分析、热设计及热测试技术的现状和发展趋势有更为深入的了解，为相关领域的研究与实践提供有益的启示和借鉴。

二、电子设备热分析技术随着电子设备向高度集成化、小型化和高功率密度方向发展，热分析技术在电子设备设计中的重要性日益凸显。

电子设备热分析技术主要包括稳态热分析和瞬态热分析两大类。

稳态热分析主要关注设备在稳定工作状态下的热量分布和温度场。

通过稳态热分析，可以预测设备在长时间运行过程中的热性能，评估其散热设计的合理性。

常用的稳态热分析方法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）和边界元法（BEM）等。

这些方法可以通过建立设备的热模型，模拟其在稳定工作状态下的热传导、对流和辐射等热传递过程，从而得到设备的温度分布和热流密度等信息。

瞬态热分析则主要关注设备在启动、关机、负荷变化等瞬态过程中的热性能。

瞬态热分析对于评估设备在极端条件下的热稳定性和可靠性具有重要意义。

常用的瞬态热分析方法包括瞬态热网络法、瞬态热有限元法等。

这些方法可以模拟设备在瞬态过程中的热传递和热响应，从而得到设备在不同时间点的温度分布和热流密度等信息。

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。

电子设备热设计基本知识

•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。 • 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。 • 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
•（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： • 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。
•热设计基本考虑

电子设备热设计概述

电子设备热设计概述【摘要】热设计在电子设备设计中具有重要作用，散热效果的好坏直接影响设备的性能指标和使用寿命。

如何提高产品的散热性能成为迫切需要解决的问题。

本文就热量传递方式、冷却方式的选择以及电子设备热设计方法等方面进行了简要概述。

【关键词】热设计；热量传递；散热0.引言现代电子设备结构越来越小，性能要求越来越高，不但支持多任务功能，而且具有更好的便携功能，由此会产生更多的系统热量，更大的热流密度。

大量的系统热量在设备中聚集，会严重影响设备的性能指标及使用寿命。

在电子产品中，高温对电子产品的影响包括，绝缘性能退化，元器件损坏，材料的热老化，低熔点焊缝开裂及焊点脱落，从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。

因此在许多现代化产品的设计，特别是可靠性设计中，热设计已占有越来越重要的地位。

1.热设计概述1.1 热设计概述热设计是整个系统设计的一部分，它往往与结构设计、内部布局、电磁兼容要求等设计耦合在一起，必须综合考虑才能使整个产品达到优异的性能。

根据相关标准和规范，通过对产品各组成部分的热分析，确定所需散热措施，以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的零部件的温度，使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。

对于电子产品，最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量，减少热阻，选择合理的冷却方式，保证设备在散热方面的可靠性。

1.2 热量传递方式热量传递有三种方式：传导、对流和辐射。

传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。

对流：流动的流体（气体或液体）与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。

根据引起流动的原因可以分为自然对流和强制对流。

辐射：物体通过电磁波来传递热量的方式称为热辐射。

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(第一章)Thermal Design of Electronic Equipment

Since heat transfer by conduction is directly proportional to a material's thermal conductivity, temperature gradient, and cross-sectional area, we can nd the temperature rise in an application by: qL -------k Ac
T
1.1.3
RADIATION
Radiation is the only mode of heat transfer that can occur through a vacuum and is dependent on the temperature of the radiating surface. Although researchers do not yet understand all of the physical mechanisms of radiative heat transfer, it appears to be the result of electromagnetic waves and photonic motion. The quantity of heat transferred by radiation between two bodies having temperatures of T1 and T2 is found by qr where: qr amount of heat transferred by radiation (W) emissivity of the radiating surface (highly reective 0, highly absorptive 1.0) Stefan-Boltzmann constant (5.67 10 8 W/m2 K4) shape factor between surface area of body 1 and body 2 ( 1.0) surface area of radiation (m2) surface temperature of body 1 (K) surface temperature of body 2 (K) F 1,2 A ( T 1

热设计基础

【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。

“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。

如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。

下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。

“直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。

该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。

以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。

看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。

“怎么会作出这种设计？”“这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。

”“应该运用了很多魔术般的最新技术。

”“简直就是胡来……”大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。

PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。

既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。

在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。

如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。

但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。

而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。

这就是“热设计”。

正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。

也可称之为估计“大致热量”的作业。

虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。

如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。

第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。

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

电子产品热设计

电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。

多余的功率大部分转化为热而耗散。

当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度，这种情况导致了热量的集中，因此需要采用合理的热设计手段，进行有效的散热，以便产品在规定的温度极限内工作。

热设计技术就是指利用热的传递条件，通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在产品所在的工作条件下，以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。

一、电子产品热设计的目的电子产品在工作时会产生不同程度的热能，尤其是一些功耗较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等，实际上它们是一个热源，会使产品的温度升高。

在温度发生变化时，几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象，这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。

温度不均引起的局部应力集中是有害的，金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力，从而导致金属因疲劳而毁坏。

另外，对于电子产品而言，元器件都有一定的工作温度范围，如果超过其温度极限，会引起电子产品工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏，导致电子产品不能稳定、可靠地工作。

电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计，降低产品的工作温度，控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下，以不超过规定的最高允许温度正常工作，避免高温导致故障，从而提高产品的可靠性。

二、电子产品散热系统简介热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射，对应的散热方式为：传导散热、对流散热和辐射散热。

典型的散热系统介绍如下：（1）自然冷却系统自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中（环境温度略微升高），再通过空调等其他设备降低环境温度，达到散热的目的。

此类散热系统的设计原则是：尽可能减少传递热阻，增加产品中的对流风道和换热面积，增大产品外表的辐射面积。

自然冷却是最简单、最经济的冷却方法"旦散热量不大，一般用于热流密度不大的产品中。

电子产品热设计规范

电子产品热设计规范1概述1.1热设计的目的采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性;1.2热设计的基本问题1.2.1耗散的热量决定了温升,因此也决定了任一给定结构的温度；1.2.2热量以导热、对流及辐射传递出去,每种形式传递的热量与其热阻成反比；1.2.3热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；1.2.4所有的冷却系统应是最简单又最经济的,并适合于特定的电气和机械、环境条件,同时满足可靠性要求；1.2.5热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决；1.2.6热设计中允许有较大的误差；1.2.7热设计应考虑的因素：包括结构与尺寸功耗产品的经济性与所要求的元器件的失效率相应的温度极限电路布局工作环境1.3遵循的原则1.3.2热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准;1.3.3热设计应满足产品的可靠性要求,以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作;1.3.4每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求；1.3.5在规定的使用期限内,冷却系统如风扇等的故障率应比元件的故障率低；1.3.6在进行热设计时,应考虑相应的设计余量,以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加;1.3.7热设计不能盲目加大散热余量,尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式;使用风扇冷却时,要保证噪音指标符合标准要求;1.3.8热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低;1.3.9冷却系统要便于监控与维护2热设计基础2.1术语2.1.1温升指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差;如果忽略温度变化对空气物的非线性影响,可以将一般环境温度下如空调房27℃测量获得的温升直接加上最高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度;例如在空调房内测得某器件温升为40℃,则在55℃最高环境温度下该器件的温度将为95℃;2.1.2热耗指元器件正常运行时产生的热量;热耗不等同于功耗,功耗指器件的输入功率;一般电子元器件的效率比较低,大部分功率都转化为热量;计算元器件温升时,应根据其功耗和效率计算热耗,当仅知道大致功耗时,对于小功率设备,可认为热耗等于功耗,对于大功耗设备,可近似认为热耗为功耗的75%;其实为给设计留一个余量,有时直接用功耗进行计算;但注意电源模块的效率比较高,一般为70%~95%,对于同一个电源模块,输出功率越小,效率越低;2.1.3热流密度单位面积上的传热量,单位W/m2;2.1.4热阻热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了1W热量所引起的温升大小,单位为℃/W或K/W;用热耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的温升;可以用一个简单的类比来解释热阻的意义,换热量相当于电流,温差相当于电压,则热阻相当于电阻;以下是一些单板元器件热分析使用的重要热阻概念,这些热阻参数一般由元器件生产厂商根据标准实验测量提供,可在器件的用户说明书中查出：结至空气热阻R ja元器件的热源结junction到周围冷却空气ambient的总热阻,乘以其发热量即获得器件温升;结至壳热阻R jc元器件的热源结到封装外壳间的热阻,乘以发热量即获得结与壳的温差;结至板热阻R jb元器件的结与PCB板间的热阻,乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差;2.1.5导热系数表征材料导热性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量,单位为W/m.K或W/m.℃2.1.6对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱,表明当流体与壁面的温差为1℃时,在单位时间通过单位面积的热量,单位为W/m.K或W/m.℃2.1.7层流与紊流湍流层流指流体呈有规则的、有序的流动,换热系数小,热阻大,流动阻力小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动,换热系数大,热阻小,流动阻力大;层流与紊流状态一般由雷诺数来判定;在热设计中,尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气流动为紊流状态,因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍;2.1.8流阻反映流体流过某一通道时所产生的静压差;单位帕斯卡或In.water2.1.9黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,在0~1之间;它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色;表面粗糙,无光泽,黑度大,辐射散热能力强;雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数;其定义一般为式中u为空气流速,单位m/s；D为特征尺寸,单位m,根据具体的对象结构情况取值；为运动粘度,单位m2/s;普朗特数PrPrandtl普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数;空气的Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出;努谢尔特数NuNusseltl反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱,是一个说明对流换热强弱的相似准则数;其定义一般为,h为换热系数,单位W/m2.℃；D为特征尺寸；为导热系数,单位W/m.℃;通风机的特性曲线指通风机在某一固定转速下工作,静压随风量变化的关系曲线;当风机的出风口完全被睹住时,风量为零,静压最高；当风机不与任何风道连接时,其静压为零,而风量达到最大系统的阻力特性曲线系统或风道的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化的关系曲线,与流量的平方成正比;通风机工作点系统风道的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点;速度头一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准,其定义为为空气密度,u为空气流速;风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获得;2.2热量传递的基本方式及传热方程式热量传递有三种方式：导热、对流和辐射,它们可以单独出现,也可能两种或三种形式同时出现2.3增强散热的方式以下一些具体的散热增强方式,其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热量的：2.3.1增加有效散热面积;如在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCB板中,利用周围PCB板的表面散热;2.3.2增加流过表面的风速,可以增加换热系数;2.3.4尽量减小导热界面的接触热阻;在接触面可以使用导热硅胶绝缘性能好或铝箔等材料;2.3.5设法减小散热热阻;在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热,由于空气的导热系数很小,所以热阻很大;如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触,则热阻将大大降低,减小温升;3自然对流换热当发热表面温升为40℃或更高时,如果热流密度小于0.04W/cm,则一般可以通过自然对流的方式冷却,不必使用风扇;自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面,实现散热;这种换热方式不需要任何辅助设备,所以不需要维护,成本最低;只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热,应尽量不使用风扇;如果设计不当,元器件温升过高,将不得不采用风扇;合理全面的自然对流热设计必须考虑如下问题：3.1元器件布局是否合理在布置元器件时,应将不耐热的元件放在靠近进风口的位置,而且位于功率大、发热量大的元器件的上游,尽量远离高温元件,以避免辐射的影响,如果无法远离,也可以用热屏蔽板抛光的金属薄板,黑度越小越好隔开；将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部；一般应将热流密度高的元器件放在边沿与顶部,靠近出风口的位置,但如果不能承受较高温度,也要放在进风口附近,注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率的元器件尽量分散布局,避免热源集中；不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列,使风阻均布,风量分布均匀;单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定;3.2是否有足够的自然对流空间元器件与元器件之间,元器件与结构件之间应保持一定距离,通常至少13mm,以利于空气流动,增强对流换热;竖直放置的电路板上的元件与相邻单板之间的间隙至少为19mm;进出风口应尽量远离,避免气流短路,通风口尽量对准散热要求高的元件;3.3是否充分运用了导热的传热途径由于自然对流的换热系数很低,一般为2~10W/m℃,元件表面积很小或空间较小无法充分对流时,散热量会很小,这时应尽量采用导热的方式,利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料如导热硅胶,云母,导热陶瓷,导热垫等将元件与机壳或冷板相连,将热量通过更大的表面积散掉;3.4使用散热器对于个别热流密度较高的元器件,如果自然对流时温升过高,可以设计或选用散热器以增加散热表面;3.5是否充分运用了辐射的传热途径高温元件可以通过辐射将部分热量传递给机壳,机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比;表面粗糙度越高,黑度越高,而颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显;当机壳表面涂漆,黑度可以达到很高,接近1;在一个密闭的机盒中,机壳内外表面涂漆比不涂漆时元件温升平均将下降10%左右;3.6其他的冷却技术如果高热流密度元器件附近的空间有限,无法安装大散热器,可以采用冷管,将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置;综合考虑上述问题时,将会有许多不同的结构布局方案,用一般的理论公式较难分析有限空间的复杂流动和换热,也难以比较方案的好坏;最好采用热设计仿真分析软件对机箱/盒建模划分网格并计算,然后可以方便地改动布局方案再次计算,比较不同方案的计算结果,即可获得最佳的或满足要求的方案;国外许多通信公司都采用这种软件帮助新产品的热设计,使一些产品避免采用风扇散热;4强迫对流换热-风扇冷却当散热面热流密度超过0.08W/cm,就必须采用强迫风冷的方式散热;强迫风冷在我公司产品中应用最多;有时尽管不用风扇可以散热,但散热器和机箱体积会很大,采用风扇冷却可以将体积减小许多;4.1风道的设计强迫风冷中风道的设计非常重要;以下是设计的一些基本原则：尽量采用直通风道,避免气流的转弯;在气流急剧转弯的地方,应采用导风板使气流逐渐转向,使压力损失达到最小;尽量避免骤然扩展和骤然收缩;进出风口尽量远离,防止气流短路;在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔,防止气流短路;为避免上游插框的热量带入下游插框,影响其散热,可以采用独立风道,分开散热;风道设计应保证插框单板或模块散热均匀,避免在回流区和低速区产生热点;对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量,避免风道阻力不合理布局要避免风道的高低压区的短路4.2抽风与吹风的区别4.2.1吹风的优缺点a.风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中的情况,此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件;b.吹风时将在机柜内形成正压,可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱;c.风扇将不会受到系统散热量的影响,工作在在较低的空气温度下,风扇寿命较长;d.由于吹风有一定方向性,对整个插框横截面上的送风量会不均匀;e.在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区,换热较差,最好将风扇与插框保持50mm以上的间距,使送风均匀化;4.2.2抽风的特点a.送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂的情况;b.进入风扇的流动主要为层流状态;c.风扇将在出风口高温气流下工作,寿命会受影响;d.机柜内形成负压,缝隙中的灰尘将进入机柜/箱;4.3风扇选型设计4.3.1风扇的种类通信产品中运用的风扇有轴流Axial、离心Radial、混流Mixed-flow三种;轴流风扇风量大、风压低,曲线中间的平坦转折区为轴流风扇特有的不稳定工作区,一般要避免风扇工作在该区域;最佳工作区在低风压、大流量的位置;如果系统的阻力比较大,也可以利用高风压、低流量的工作区,但要注意风量是否达到设计值;离心风扇的进、出风方向垂直,其特点为风压大、风量低,最好工作在曲线中压力较高的区域;混流风扇的特点介于轴流和离心之间,出风方向与进风有一倾斜角度,则风量可以立即扩散到插框的各个角落,而且风压与风量都比较大,但风扇HUB直径较大,正对HUB的部分风速很低,回流比较严重;4.3.2风扇与系统的匹配空气流过风道将产生压力损失;系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失;沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的;局部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失;不管哪种损失,均和当地风速的平方成正比;4.3.3风扇的串并联在机柜/箱中一般为保证送风均匀和足够的风量,采用风扇并联使用的方式;风扇并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加,实际上一般会比理想曲线略低;如果系统阻力较大,阻力特性曲线较陡,当风扇并联的数目多到一定程度时,并不能明显增加风量;一般建议横向上并联风扇数目不要超过3个,如果插框较宽,可以用4个,纵向上除非插框很深,一般只用一排;当机柜/箱的阻力较大时,可以采用风扇串联使用的方式;风扇串联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的纵向叠加4.3.4在实际安装情况下风扇特性曲线的改变风扇安装在系统中,由于结构限制,进风口和出风口常常会受到各种阻挡,其性能曲线会发生变化;风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离,如果有空间限制,也应至少有20mm;4.3.5风扇的噪音问题风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系,对于轴流风扇在大风量,低风压的区域噪音最小,对于离心风机在高风压,低风量的区域噪音最小,这和风扇的最佳工作区是吻合的;注意不要让风扇工作在高噪音区;风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍,所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离,以免产生额外的噪音;对于风扇冷却的机柜,在标准机房内噪音不得超过55dB,在普通民房内不得超过65dB;对于不得不采用大风量,高风压风扇从而产生较大噪音的情况,可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料,吸音效果较好的材料主要是多孔介质,如玻璃棉,厚度越厚越好;将风扇框置于插框之间比置于机柜的顶部或底部时噪音将略低,即插满单板或模块的插框有部分消音作用;有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机,在保证设计风量的条件下,可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速,从而降低风扇的噪音;5单板元器件安全性热分析5.1元器件的传热分析对于独立半导体器件,热源一般在PN结处;热量从PN结出发通过热传导传至半导体外壳;热量在外壳处以三种方式继续向外传播;以辐射方式传向空气以对流方式传向空气以传导方式传向附加散热器或通过管脚或引线传向PCB板热量在散热器或PCB板处以辐射和对流方式传向空气传入空气的热量在机箱内以自然或强迫对流方式传出机箱外,完成散热的历程;并在一定条件下达到热平衡;对于集成电路、大规模集成电路、微波半导体器件、混合半导体器件等,是多PN结元器件,热量从PN结发出后互相作用再传向外壳或基板或衬底;5.2散热器的选型参数的确定元器件安装散热器后,主要散热路径是将热量由壳体传导给散热器,由散热器通过对流的方式与冷却空气换热;在散热器选型设计时,可以先忽略通过与PCB板的接触传导的热量,这本身将给设计留有一个裕度;只要接触良好,一般接触热阻较小;接触面积、接触压力、接触介质导热系数越大,接触介质厚度越薄,接触热阻越小;一般可在接触面涂上导热硅脂,或垫一层铝箔,或使用导热绝缘双面胶降低接触热阻;对于一般的24X24左右的芯片,表面涂有均匀的薄层导热硅胶,接触热阻可以取0.5℃/W;5.3散热器选用和安装的原则散热器与元器件接触的安装平面应光滑平整,以使与元器件有良好的紧密接触;必要时在结合面间可加导热胶、导热脂、导热垫等,以消除间隙对传热的不良影响;一般应尽量选用公司已有编码的散热器,以及生产厂家的现有标准型材制造;若重新设计,其结构工艺性和经济性要好;散热器配置应便于机柜内换热空气的流通;减缓对空气的过大阻碍,使机柜内换热空气的流通比较均匀;但重点散热元器件处应有较大的流速;靠自然对流换热时,散热肋片长度方向取垂直于地面方向;靠强迫空气散热时,应取与气流方向相同的方向;在空气流通方向上,不宜纵向近距离排列多个散热器,由于上游的散热器将气流分开,下游的散热器表面风速将很低;应交错排列,或将散热翅片间隔错位;散热器与同一块电路板上的其它元器件应有适宜的距离,通过热辐射计算,以不使其有不适宜的增温为宜;6产品热设计步骤必须在产品开发阶段即介入热设计工作;在制定产品系统硬件规格需求与总体方案时期,热设计人员了解产品的定位、主要配置与大体功耗,与项目组共同制定产品热设计要求与任务;同时收集国内外同类产品的相关资料,了解竞争对手的设计情况;系统集成方案讨论时,参与制定系统的配置与空间安排;与结构设计人员共同制定风道初步方案;单板硬件详细设计时,项目经理与单板开发人员需向热设计人员提供如下信息：系统总功耗各插框与模块的总功耗各单板与模块的功耗单板上发热量较大的元器件与热敏元器件的热设计参数：典型功耗与最大功耗、工作效率、长期稳定工作的最大结温或表面温度、热阻参数Rja,Rjc,Rjb、封装方式、表面尺寸、原配散热器热阻曲线;这些参数一般可以从所选元器件的用户说明书PDF文件中查到;PCB板的初步布局,3d中的元器件可能布置的位置文档输出：系统到器件的各相关文件结构设计人员向热设计人员提供如下内容：机柜/箱的总体尺寸功能模块占用的空间\可用于风道设计或温控器件的空间机柜在防尘、屏蔽方面的考虑和进出风口的可能位置插框内槽位间距、横梁厚度深度等与热设计相关的结构参数热设计人员与结构设计人员共同制定详细风道方案根据总体功耗进行简单估算,初步进行风扇选型；然后建立初步简化的热分析模型进行计算,优化风道结构,了解大致流场和风速;根据风道的流场分布与热设计原则对PCB板关键元器件的布置提出可行的建议,必要时可以建立单板热分析仿真模型,在满足功能设计的前提下,尽可能优化器件分布,避开死区与回流区,同时确认元器件的散热安全性;根据3d提供的参数与估算的大致风速,对有必要安装散热器的元器件进行散热器选型设计;对于热流密度特别高或散热器安装空间不足的情况,可以考虑采用其他增强散热的技术,如冷板、热管等根据具体设计情况建立系统的复杂模型或分解模型与元器件散热的详细模型,进行热分析计算,预测器件温升,完善与优化设计热设计方案内部机电工程部评审热设计人员向项目组提供详细的热设计方案及文档,尽量有后备方案;准备实验方案,建立物理模型或使用样机进行热测试,验证热设计效果;根据热测试结果进行最终的优化分析与设计根据产品应用标准进行样机高温环境箱功能测试,进行最终把关;。

SH第1部分 电子设备热设计基本概念

第一章电子设备热设计基本知识

电子产品热设计培训稿

电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)

电子行业电子设备热设计基础

电子产品热设计

设备的热设计

电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及进展

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

电子设备热设计基本知识

电子设备热设计概述

电子产品热设计原理和原则培训课件

电子设备热设计(第一章)Thermal Design of Electronic Equipment

热设计基础

电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)

电子产品热设计

电子产品热设计规范

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