室内电子机箱热设计技术研究

室内电子机箱热设计技术研究

发表时间：2018-06-15T15:23:39.877Z 来源：《电力设备》2018年第3期作者：李连提李波田东顺

[导读] 摘要：当前室内电子机箱更新换代非常快，各室内电子机箱供应商的研制周期越来越短，热设计要求数据准确，符合国家或国际标准，在产品设计初期就充分考虑散热的需求。

（积成电子股份有限公司山东省 250104）

摘要：当前室内电子机箱更新换代非常快，各室内电子机箱供应商的研制周期越来越短，热设计要求数据准确，符合国家或国际标准，在产品设计初期就充分考虑散热的需求。基于此，本文主要针对室内电子机箱热设计技术方面的内容进行了分析探讨，以供参阅。

关键词：室内；电子机箱；热设计；技术

引言

近年来，随着互联网、通信等电子技术的迅猛发展，人类对室内电子机箱小型化、微型化和高集成化的追求越来越强烈，使得大规模集成电路、高速集成电路、多芯片模块等电子技术很快发展并投入应用，导致室内电子机箱的热密度成量级增长。

1室内电子机箱热设计的必要性

首先，就目前网络及通讯应用的全球化普及，这些室内电子机箱的工作环境也日趋复杂，很多室内电子机箱甚至要在高温高湿，或外部环境变化频率很高的恶劣环境下工作；其次，室内电子机箱多功能、集成化的趋势从未间断，使得单一室内电子机箱的发热量越来越高；再次，室内电子机箱使用者对重量轻、体积小、易于安装维护的设备的偏好，使室内电子机箱供应商在产品设计上更加追求小巧、轻便、简单并人性化的设计，也使设备本身的散热空间更加集中和封闭；最后，随着人们环境保护意识的提高，越来越多的室内电子机箱需要满足低能耗、低噪音、低辐射的要求。以上四个因素都对室内电子机箱的热设计及热分析技术提出严峻的挑战，怎样使室内电子机箱不仅能满足可靠的使用要求，同时能在众多竞争产品中脱颖而出，成为摆在每个热设计工程师面前的挑战。

2室内电子机箱的热设计技术

2.1热设计的原理

散热方法的选择取决于设备应用环境和设备本身的热密度，常见的散热方法有与环境空气自然对流，采用导热性金属，强迫风冷，液冷，蒸发散热，采用高辐射性能材料，以及近年来比较流行的半导体制冷等等，通常情况下，设备的散热系统往往是几种散热方法的组合。热设计最基本的问题就是电子元件集成密度的迅速增加带来的高热流密度与冷却技术之间的矛盾。室内电子机箱的热设计包括选择合适的冷却方式，电子元件的布局，气流的通道，风扇的选择，散热器的设计以及电子元件的接触热阻的控制。对于箱体散热设计，不管是封闭还是开放式箱体，其设计通常利用箱体本身的箱壁作为散热系统的冷板，将电子元器件或发热电路板的热量通过热导传递到箱壁冷板，再通过冷板与空气之间的对流换热，进行热交换。此技术是建立在传热学理论基础之上的，传热方式有三种，分别是热传导、热对流和热辐射，在散热设计过程中，与这些传递方式有关的概念和科学规律是至关重要的。

2.2室内电子机箱热设计的数学模型

根据权威机构数据，芯片失效率与芯片结温成指数关系，性能也随结点温度升高而降低，将结点热量通过合适的热通路将其导入到热沉即为芯片散热的关键。通常情况下，热通路的性能由热通路的热阻决定，芯片的热阻定义为从芯片结点至芯片某一参考点的热阻，合理的电路设计力求在不降低性能的前提下尽量使热通路有较低的热阻，就是散热设计的主要任务。热阻表达式为：R=Δx/k•A。式中：Δx为热量传输的厚度，单位为m；k为材料的导热系数，单位为W／（m•K）；A为传热面的截面积，单位为m2。产品中使用的芯片种类很多，芯片本身从其结至上部，和从结到底部的热通路热阻已经由芯片提供商设计完成。

2.3散热系统设计

2.3.1印制电路板的散热设计

表面贴装的IC其主要的散热途径实际是依靠印刷电路板（PCB）来散热，一般而言，通过PCB将热量转移是高功耗半导体器件的主要冷却方法。PCB散热设计影响巨大，它可以让系统良好运行，也可以埋下发生热事故的隐患。谨慎处理PCB布局、板结构和器件贴装有助于提高中高功耗应用的散热性能．芯片制造公司很难控制使用其器件的系统。

2.3.2导热垫设计

在电子系统冷却方案设计的过程中，导热垫或导热填充剂的设计是非常重要的，因为无论是芯片表面或散热片表面并不完全平整和光滑，在显微镜下可以看到，两个连接的固体表面是由许多点到点的接触点和它周围的空子包组成，而一般固体界面的实际接触面积是总面积的95％～99％，空气的传导率为O．026W／（m•K），可以认为是很差的热传导物质，所以使用界面填充材料来减小界面热阻是非常重要的。可见界面填充材料是热导通路上的重要一环，直接影响整个热导通路整体热阻，越薄的界面填充材料，其热阻就越小，导热性能就越好，但是必须要考虑到的是越薄的界面填充材料，在装配过程中对电子器件的应力也就越大，尤其是对BGA类型的封装芯片，因为其封装对外部应力比较敏感，所以热设计工程师必须在既满足散热要求与外应力不会影响零件使用与可靠性要求中寻求平衡。

2.3.3散热翅片设计

（1）作为电子机箱外壳的散热翅片设计。散热翅片是具有扩展表面以增强电子元器件或设备散热的器件，是根据牛顿冷却定律（元件的散热面积越大散热量越高）而设计的散热器件。最常用的散热器类型包括翅片型、针肋型，材料通常采用铜或铝，因为通常情况下，金属的导热系数高于非金属。本课题设计的散热器结构尺寸较大，并且将作为整个散热系统的外壳，所以采用铝材料。（2）BGA芯片散热翅片设计。对于BGA型封装芯片散热的主要热通路依然是通过焊锡球传递至PCB板进行传递扩散。

2.3.4风扇组设计

众所周知，热可借助传导、对流、辐射三种方式进行传递，其中对流是指流动着的流体和固体壁面之间的传热，而风扇作为室内电子机箱热设计中对流散热的重要组件，在选择合适的风扇满足设计要求中，主要考虑以下几个方面：（1）提供合理、有效的风流；（2）满足散热要求的基础上，最小的噪音考虑；（3）较高的可靠性和较长的使用寿命；（4）可现场更换；（5）选取供应商标准风扇组产品。

结束语

总而言之，从40年代的电子管发展到了今天的超大规模集成电路，室内电子机箱的热流密度已经达到100W／cm2，像这样高的热流密度，已远非用常规的冷却方式所能解决。当前室内电子机箱热设计技术已经成为可靠性设计的重要内容，越来越多的受到重视。