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。

第1.1节电子产品热设计理论基础

热力学第二定律指出：热量总是自发的、不可逆转的，从高温处传向低温处，即：只要有温差存在，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，形成热交换。热交换有三种模式：传导、对流、辐射。它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。

1.1.1 热传导：

气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。

1.1.2 热对流

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。

由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力(泵、风机等)引起的，则称为强迫对流。

1.1.3 热辐射

物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量方

式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。

第1.2节热设计的基本要求

电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标，热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，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、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的设计和机箱散热结构的设计。电子设备的热设计要与电路设计和结构设计同时进行，满足设备可靠性的要求。热设计与维修性设计相结合，可提高设备的可维修性。

第1.3节热设计中术语的定义

⑴热特性：设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。

⑵热流密度：单位面积的热流量。

⑶热阻：热量在热流路径的阻力。

⑷内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。

⑸安装热阻：元器件与安装表面之间的热阻，又叫界面热阻。

⑹温度稳定：温度变化率不超过每小时2℃时，称为温度稳定。

⑺温度梯度：等温面的法向方向上单位距离所引起的温度增量定义为温度梯度。

⑻紊流器：提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。

⑼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。它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。过去我们也称为“最终散热器“，也就是我们将在后面讨论的热电模拟回路中的接地点。对空用和陆用设备而言，周围的大气就是热沉。

第1.4节电子设备的热环境

各类电子设备使用场所的热环境的可变性是热控制的一个必须考虑的重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。导弹上工作的电子元器件所经受的环境条件比地面室内设备的环境条件恶劣得多，它们必须满足不同环境温度和特殊飞行密封舱的压力要求，除此之外，还有机诫振动和电磁干扰等因素。

图1-1元器件失效率与温度的关系

电子设备的热环境包括：

⑴工作过程中，功率元件耗散的热量。

⑵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。

⑶设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。

⑷环境温度和压力（或高度）的极限值。

⑸环境温度和压力（或高度）的变化率。

⑹太阳或周围物体的辐射热。

⑺可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）。

第1.5节热设计的详细步骤

⑴确定设备(或元器件)的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。

⑵确定冷却方式。

⑶对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其失效率加以分析。

⑷按器件和设备的组装形式，计算热流密度。

⑸由器件内热阻(查器件手册)确定其最高表面温度。

⑹确定器件表面到散热器或空气的总热阻。

⑺根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配，并对此加以评估，确定传热方法和冷却技术。

⑻选定散热方案。