电子产品热设计与工程案例分析 共91页
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Accelink Technologies Co., Ltd.
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
芯片级的热流密度高达 300 W／cm2数量级，甚 至已经达到1000 W／ cm2数量级 其结温要求低于 100°C 太阳表面热流密度10000 W／cm2数量级 其表面温 度可达6000°C
Accelink Technologies Co., Ltd.
模块功率逐年增长趋势
1.1 准确认识热设计
➢ 减小辐射热阻的措施 1. 表面辐射率要高； 2. 辐射体与吸收体之间要无障碍； 3. 辐射面积要大。
Accelink Technologies Co., Ltd.
专题 热阻分析法(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（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。
三、传热路径
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。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，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。
Rt
1
A
通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程
自然对流 Nu c(GrPr)n
强迫对流 Nu cRemPrn
Accelink Technologies Co., Ltd.
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数：
Nu
L
对流换热 导热
雷诺数：
Re
uL
惯性力 粘性力
普朗特数：
用准则方程求出Nu后，即可求出对流换热系数： Nu
L
Accelink Technologies Co., Ltd.
四、辐射换热
➢ 辐射能以电磁波的形式传递 ➢ 任意物体的辐射力可以用下式计算：
A 0T 4
式中：ε —— 物体的表面黑度（表面辐射率）； σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)； A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
a. 导热热阻和对流热阻的计算式参见前面内容 b. 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。
Accelink Technologies Co., Ltd.
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
Accelink Technologies Co., Ltd.
三、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
流动产生的原因自强然迫对对流流
流动性质
层流 湍流
牛顿冷却公式： Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流 换热能力。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.4 热控制方法的选择
冷却方法可以根据热流密度和 温升要求，按右图关系进行选 择。这种方法适用于温升要求 不同的各类设备的冷却
由右图可知，当元件表面与环境之 间的允许温差ΔT为60℃时，空气 的自然对流（包括辐射）仅对热流 密度低于0.05W/cm2时有效。
集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。
自冷印制板的间距应控制在不小于19mm，电路板上电子元件安装高度相差 比较大时，应保证最高元件与屏蔽盒内壁之间的间隙不小于23mm，否则将 影响盒子中部的自然对流。
有利紊流 电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及有利于提高气流的紊
流程度。
Accelink Technologies Co., Ltd.
2.1、空冷首先应当重视对流
一、空冷对流设计一般原则
1）器件、印制板的排布原则
风冷 将耐热性能好的放在冷却气流的下游，耐热性能差的应放在冷却气流
的上游。 发热区的中心线，应与入风口的中心线相一致或略低于入风口的中心
线，这样可以使电子机箱受热而上升的热空气由冷却空气迅速带走。 当风冷系统的冷却气流经多块印制板组件时，印制板的间距应控制在
定义热流密度：
q Q W/m2
A
T
对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得： Q
由此可得导热热阻计算公式为：
Rt
A
K/W
Rt
导热问题的热电比拟关系：
电位差U 电流I 电阻R
温差T 导热量Q 热阻R t
Accelink Technologies Co., Ltd.
Accelink Technologies Co., Ltd.
（2）热设计的实施过程
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.2 热源与热阻
电子设备工作过程中可能的三种热量来源 ➢ 自身功率——功率元件耗散的热量 ➢ 设备工作环境——通过导热、对流、辐射形式，与电子设备进行热量传递 ➢ 自身与环境作用——设备与大气相对运动，摩擦增温 热量去处：热沉（环境）
来源：美国空军航空电子整体研究项目
图 电子产品失效的主要原因
过热问题被确认为 电子设备结构设计 所面临的三大问题 之一——（强度与 振动、散热、电磁 兼容）
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
2、热设计内容与学习方法、设计过程
（1）热设计目标、内容与工具 ➢ 热设计的目标 热设计目标 应 首 先 根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来
Pr cp
动量扩散 热量扩散
格拉晓夫数：
Gr
L3V gT 2
浮升力 粘性力
L—— 特征尺寸，m； u—— 流体速度，m/s； cp—— 比热容，kJ/(kg·K)； μ—— 动力粘度，Pa·s； λ—— 导热系数，W/(m·K)； αV—— 体膨胀系数，℃－1； g —— 重力加速度，m/s2； ΔT——流体与壁面的温差。
➢ 热设计理论工具 • 热量传递的基本理论、经验公式 • 结构设计经验方法 • 计算流体力学和计算传热学（CFD） • 热测试仪器和手段
➢ 可参考的国内书籍 邱成悌、赵惇殳 电子设备结构设计原理，东南大学 余建祖，电子设备热设计及分析技术，北航出版社 王健石，电子设备热设计速查手册，电子工业出版社 刘静，液体金属导热材料
确定，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度。 已知设备的可靠性指标，依据GJB/ 299B－2019《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。
（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，从而改进其设计。
（3）热评估 评估热设计是否合理的方法和手段。
（4）热试验 将设备置于实际（或模拟）热环境中，测量其温度或温度分布
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.3 热量传递的基本方式和有关定律
一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
二、导热（热传导）
傅立叶导热定律：
Q A T W
x
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征 材料导热能力优劣的物性参数。
• 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。
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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。
置良好的导热通路？ 热源表面的黑度是否足够大？ 是否有供通风的百叶窗口？ 对于密闭式热源，是否提供良好的导热通路？
Accelink Technologies Co., Ltd.
强迫空气冷却
流向发热元器件的空气是否经过冷却过滤？ 是否利用顺流气流来对发热元器件进行冷却？ 气流通道大小是否适当？是否畅通无阻？ 风机的容量是否适当？抽风机或鼓风机是否选择恰当？ 风机电动机是否得到冷却？对风机故障是否采用防护措施？ 空气过滤器是否适当？是否易于清洗和更换？ 是否已对设备或系统中的气流分布进行过测量？ 关键的功率器件是否有适当的气流流过？ 是否测量过功率器件的临界温度？ 是否测量过风机的噪声？ 易损坏的散热片是否有保护措施？ 在机载电子设备中，是否具有防水措施？
13mm左右 器件尽量交错方式排列，以增强紊流。必要时可在空位增设紊流器。
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自冷
温度分区（与风冷同） 按耐热程度分区：耐热性差的放气流上游，耐热性好的电子元器件放
在下游。 按发热量分区：如把大规模集成电路放在冷来自百度文库气流的上游处，小规模
热设计原则：热源至最终热沉之间的总热阻最小
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。
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1.2 热源与热阻
热阻定义：
Rt
T 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
强迫风冷可使表面对流换热系数 大约提高一个数量级，如在允许 温差为100℃时，风冷最大可能 提供1W/cm2 的传热能力。
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第二部分 以空气为介质的冷 却
2.1、空冷首先应当重视对流 2.2、空冷中的传导 2.3、风冷中的风道设计与风机选用
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
利用相变材料的吸、放热过程，可变导热管的控温特性以及热电效应， 使设备工作温度严格恒定在某一温度值，保证其工作的稳定性。 （4）热管传热
利用热管高效传热的特性，解决大温差环境条件下温度的均衡，密闭机 箱内热量的传递，减少温差对设备的危害。
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1.1 准确认识热设计
➢ 热设计内容 • 定义1——“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。
• 定义2——为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境及低热 阻散热通道，保证他们能按预定的参数正常、可靠地工作。”
电子产品热设计与工程案例分析
第一部分 热设计的理论基础
第一部分 热设计的理论基础
1.1、准确认识热设计 1.2、热源与热阻 1.3、热量传递的基本方式与有关定律 1.4、热控制方法的选择
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
一、电子装备面临的热设计挑战
Accelink Technologies Co., Ltd.
2）热设计的检查
自然冷却 是否使用最短的热流通路？ 是否利用金属作为导热通路？ 电子元器件是否采用垂直安装和交错排列？ 对热敏感的元器件是否与热源隔离，当二者距离小于50mm时，是否采用
热屏蔽罩？ 对于发热功率大于0.5W的元器件，是否装在金属底座上或与散热器之间设
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
芯片级的热流密度高达 300 W／cm2数量级，甚 至已经达到1000 W／ cm2数量级 其结温要求低于 100°C 太阳表面热流密度10000 W／cm2数量级 其表面温 度可达6000°C
Accelink Technologies Co., Ltd.
模块功率逐年增长趋势
1.1 准确认识热设计
➢ 减小辐射热阻的措施 1. 表面辐射率要高； 2. 辐射体与吸收体之间要无障碍； 3. 辐射面积要大。
Accelink Technologies Co., Ltd.
专题 热阻分析法(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（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。
三、传热路径
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。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，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。
Rt
1
A
通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程
自然对流 Nu c(GrPr)n
强迫对流 Nu cRemPrn
Accelink Technologies Co., Ltd.
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数：
Nu
L
对流换热 导热
雷诺数：
Re
uL
惯性力 粘性力
普朗特数：
用准则方程求出Nu后，即可求出对流换热系数： Nu
L
Accelink Technologies Co., Ltd.
四、辐射换热
➢ 辐射能以电磁波的形式传递 ➢ 任意物体的辐射力可以用下式计算：
A 0T 4
式中：ε —— 物体的表面黑度（表面辐射率）； σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)； A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
a. 导热热阻和对流热阻的计算式参见前面内容 b. 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。
Accelink Technologies Co., Ltd.
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
Accelink Technologies Co., Ltd.
三、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
流动产生的原因自强然迫对对流流
流动性质
层流 湍流
牛顿冷却公式： Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流 换热能力。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.4 热控制方法的选择
冷却方法可以根据热流密度和 温升要求，按右图关系进行选 择。这种方法适用于温升要求 不同的各类设备的冷却
由右图可知，当元件表面与环境之 间的允许温差ΔT为60℃时，空气 的自然对流（包括辐射）仅对热流 密度低于0.05W/cm2时有效。
集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。
自冷印制板的间距应控制在不小于19mm，电路板上电子元件安装高度相差 比较大时，应保证最高元件与屏蔽盒内壁之间的间隙不小于23mm，否则将 影响盒子中部的自然对流。
有利紊流 电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及有利于提高气流的紊
流程度。
Accelink Technologies Co., Ltd.
2.1、空冷首先应当重视对流
一、空冷对流设计一般原则
1）器件、印制板的排布原则
风冷 将耐热性能好的放在冷却气流的下游，耐热性能差的应放在冷却气流
的上游。 发热区的中心线，应与入风口的中心线相一致或略低于入风口的中心
线，这样可以使电子机箱受热而上升的热空气由冷却空气迅速带走。 当风冷系统的冷却气流经多块印制板组件时，印制板的间距应控制在
定义热流密度：
q Q W/m2
A
T
对傅立叶定律在一维导热条件下积分，可得： Q
由此可得导热热阻计算公式为：
Rt
A
K/W
Rt
导热问题的热电比拟关系：
电位差U 电流I 电阻R
温差T 导热量Q 热阻R t
Accelink Technologies Co., Ltd.
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（2）热设计的实施过程
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.2 热源与热阻
电子设备工作过程中可能的三种热量来源 ➢ 自身功率——功率元件耗散的热量 ➢ 设备工作环境——通过导热、对流、辐射形式，与电子设备进行热量传递 ➢ 自身与环境作用——设备与大气相对运动，摩擦增温 热量去处：热沉（环境）
来源：美国空军航空电子整体研究项目
图 电子产品失效的主要原因
过热问题被确认为 电子设备结构设计 所面临的三大问题 之一——（强度与 振动、散热、电磁 兼容）
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
2、热设计内容与学习方法、设计过程
（1）热设计目标、内容与工具 ➢ 热设计的目标 热设计目标 应 首 先 根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来
Pr cp
动量扩散 热量扩散
格拉晓夫数：
Gr
L3V gT 2
浮升力 粘性力
L—— 特征尺寸，m； u—— 流体速度，m/s； cp—— 比热容，kJ/(kg·K)； μ—— 动力粘度，Pa·s； λ—— 导热系数，W/(m·K)； αV—— 体膨胀系数，℃－1； g —— 重力加速度，m/s2； ΔT——流体与壁面的温差。
➢ 热设计理论工具 • 热量传递的基本理论、经验公式 • 结构设计经验方法 • 计算流体力学和计算传热学（CFD） • 热测试仪器和手段
➢ 可参考的国内书籍 邱成悌、赵惇殳 电子设备结构设计原理，东南大学 余建祖，电子设备热设计及分析技术，北航出版社 王健石，电子设备热设计速查手册，电子工业出版社 刘静，液体金属导热材料
确定，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度。 已知设备的可靠性指标，依据GJB/ 299B－2019《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。
（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，从而改进其设计。
（3）热评估 评估热设计是否合理的方法和手段。
（4）热试验 将设备置于实际（或模拟）热环境中，测量其温度或温度分布
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.3 热量传递的基本方式和有关定律
一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
二、导热（热传导）
傅立叶导热定律：
Q A T W
x
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征 材料导热能力优劣的物性参数。
• 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。
Accelink Technologies Co., Ltd.
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。
置良好的导热通路？ 热源表面的黑度是否足够大？ 是否有供通风的百叶窗口？ 对于密闭式热源，是否提供良好的导热通路？
Accelink Technologies Co., Ltd.
强迫空气冷却
流向发热元器件的空气是否经过冷却过滤？ 是否利用顺流气流来对发热元器件进行冷却？ 气流通道大小是否适当？是否畅通无阻？ 风机的容量是否适当？抽风机或鼓风机是否选择恰当？ 风机电动机是否得到冷却？对风机故障是否采用防护措施？ 空气过滤器是否适当？是否易于清洗和更换？ 是否已对设备或系统中的气流分布进行过测量？ 关键的功率器件是否有适当的气流流过？ 是否测量过功率器件的临界温度？ 是否测量过风机的噪声？ 易损坏的散热片是否有保护措施？ 在机载电子设备中，是否具有防水措施？
13mm左右 器件尽量交错方式排列，以增强紊流。必要时可在空位增设紊流器。
Accelink Technologies Co., Ltd.
自冷
温度分区（与风冷同） 按耐热程度分区：耐热性差的放气流上游，耐热性好的电子元器件放
在下游。 按发热量分区：如把大规模集成电路放在冷来自百度文库气流的上游处，小规模
热设计原则：热源至最终热沉之间的总热阻最小
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。
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.2 热源与热阻
热阻定义：
Rt
T 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
强迫风冷可使表面对流换热系数 大约提高一个数量级，如在允许 温差为100℃时，风冷最大可能 提供1W/cm2 的传热能力。
Accelink Technologies Co., Ltd.
第二部分 以空气为介质的冷 却
2.1、空冷首先应当重视对流 2.2、空冷中的传导 2.3、风冷中的风道设计与风机选用
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
利用相变材料的吸、放热过程，可变导热管的控温特性以及热电效应， 使设备工作温度严格恒定在某一温度值，保证其工作的稳定性。 （4）热管传热
利用热管高效传热的特性，解决大温差环境条件下温度的均衡，密闭机 箱内热量的传递，减少温差对设备的危害。
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
➢ 热设计内容 • 定义1——“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。
• 定义2——为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境及低热 阻散热通道，保证他们能按预定的参数正常、可靠地工作。”
电子产品热设计与工程案例分析
第一部分 热设计的理论基础
第一部分 热设计的理论基础
1.1、准确认识热设计 1.2、热源与热阻 1.3、热量传递的基本方式与有关定律 1.4、热控制方法的选择
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.1 准确认识热设计
一、电子装备面临的热设计挑战
Accelink Technologies Co., Ltd.
2）热设计的检查
自然冷却 是否使用最短的热流通路？ 是否利用金属作为导热通路？ 电子元器件是否采用垂直安装和交错排列？ 对热敏感的元器件是否与热源隔离，当二者距离小于50mm时，是否采用
热屏蔽罩？ 对于发热功率大于0.5W的元器件，是否装在金属底座上或与散热器之间设