电子产品热设计与工程案例分析

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）
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。
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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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。”
• 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。
➢ 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
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（2）热设计的实施过程
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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
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－1998《电子设备可靠性预计
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
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1.1 准确认识热设计
一、电子装备面临的热设计挑战
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
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模块功率逐年增长趋势
1.1 准确认识热设计
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）
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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
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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
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
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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。
（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。
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。
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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，
（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
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1.1 准确认识热设计
➢ 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
流动性质ຫໍສະໝຸດ Baidu
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：
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
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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
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
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：
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。